Plasma

Como “matriz energética” o plasma lembrando o formato do DNA, contribui para gerar também em escala imensurável o Universo físico.

Dentre as características do plasma a mais importante é a sua tendência de permanecer eletricamente neutro, equilibrando sua carga elétrica negativa e positiva em cada sua porção de volume – de matéria.

Caso ocorra um desequilíbrio entre as densidades de cargas, estas dão lugar a forças eletrostáticas, que pela alta condutividade elétrica atuam rapidamente de modo a restaurar o estado inicial de neutralidade.

O plasma emite luz sempre que entra em contato com campos magnéticos ou com alguma excitação elétrica como acontece nas auroras polares e nas descargas atmosféricas da ionosfera.

A área geral do estudo do plasma, onde as interações dos gases ionizados com campos elétricos são dependentes do tempo, denomina-se dinâmica do plasma. E ainda para ele a denominação de “o quarto estado fundamental da matéria” é porque ele contém propriedades diferentes do estado sólido, líquido e gasoso.

O primeiro cientista a iniciar as pesquisas efetivas sobre plasma foi Michael Faraday, em 1830.

Com a descoberta do elétron e o aperfeiçoamento dos tubos de descarga a vácuo, estudos com gases à baixa pressão puderam ser conduzidos pelos cientistas Langmuir e Crookes, permitindo-os a elaboração dos primeiros modelos teóricos para ionização, recombinação, difusão, colisões elétron-íon e a formação de íons negativos.

Como o plasma está em uma temperatura muito alta e a agitação de seus átomos é tão grande, neles as colisões entre partículas são freqüentes, não mais os permitindo que se mantenham coesos.

Tendo o plasma tendencia reagir a campos eletromagnéticos, ele pode ter sua trajetória modificada como se fosse um “fio de luz”. Plasma em descargas a baixa pressão foi precursor dos tubos de descarga com mercúrio gasoso para iluminação, que tornaram depois de aperfeiçoados as lâmpadas fluorescentes.

A partir da década de 1930, o plasma foi examinado pela ciência e seus fundamentos teóricos foram edificados. O interesse na obtenção de novas fontes de energia relevou a importância do plasma no processo de fusão nuclear. E em 1961, surgiu o primeiro conceito bem sucedido de confinamento magnético de plasmas. Pouco tempo depois, a antiga União Soviética construiu a primeira máquina capaz de confinar o plasma e obter energia oriunda de fusão nuclear, batizando este invento de Tokamak, que é pesquisado até hoje e acredita-se ser pelo menos teoricamente ser a nova e a melhor fonte de energia para um futuro próximo.

Em 1970 foram instauradas as primeiras tecnologias de pesquisa em plasma, como exemplos, as lâmpadas especiais, arcos de plasma para solda e corte, chaves de alta tensão, implantação de íons, propulsão espacial, laser a plasma e reações químicas com plasma reativo. Portanto, a partir daquela data o plasma deixava de ser apenas teórico e passava a ter utilidade prática.

Em 1994 chegou ao conhecimento público, em Osaka/Japão, o uso do plasma em terminais de vídeo plano e, portanto já naquela época ele já era mais que uma ideia de matriz para TV à plasma e também o seu uso como filtro, que acabou acontecendo em 1999, eliminando grande parte dos gases poluentes em veículos automotores.

Em 2000, ocorreu com sucesso a utilização de propulsores iônicos para propulsão primária com xenônio na aeronave Deep Space 1. E no começo de 2005, o sucesso da venda dos televisores de plasma, em função da altíssima resolução que já possuíam (HDTV), tornou esta tecnologia que começou a ser desenvolvida dez anos antes atrativa e economicamente importante, acarretando neste período investimentos em pesquisa por parte de grandes empresas multidimensionais do ramo.

Em laboratório o plasma é gerado através de vários processos de ionização, com a maioria destes processos sendo de colisão – mas, dependendo da natureza da colisão pode ou não ocorrer a ionização do átomo. E se ela ocorrer foi porque um ou mais elétrons que estavam normalmente ligados ao átomo, em órbitas ao redor de seu núcleo, foram “ejetados” dali e converteram em gás (nuvem) numa região onde coexistem elétrons livres, íons cátions e átomos neutros, formando o plasma. Nesta retirada do elétron do átomo ocorre absorção de energia expressa em elétron-volt (eV).

Em condições normais, cada elemento químico tem seu próprio número de prótons e elétrons e, conseqüentemente uma força eletrostática característica, que vai determinar a quantidade de energia requerida para “arrancar” certo elétron do átomo. Freqüentemente o seu valor que é denominado de energia de ionização, se refere à energia necessária para arrancar definitivamente um elétron mais externo, que sofre menos atração pelo núcleo em um átomo isolado e que fica depois de “arrancado” em seu estado fundamental plasmado ou gasoso.

Quando um gás é aquecido ou atingido por descargas elétricas, dentro dele as colisões entre os elétrons e os átomos neutros podem ser elásticas ou inelásticas.

As colisões elásticas ocorrem onde existe uma conservação da quantidade de movimento e de energia do elétron. Nesse processo não ocorre ionização. Como exemplo, pode ser citado um jogo de bolinhas de gude, quando uma delas atinge a outra, ambas se movem. Assim, não houve absorção ou emissão de energia, mas somente a quantidade de movimento que foi compartilhada, permanecendo nula a energia no conjunto.

Nas colisões não elásticas existe esta emissão e absorção de energia, quando parte da energia cinética do elétron é transferida para o átomo ou molécula neutra, sem que este se desloque igualmente para manter a quantidade de movimento. Como resultado, a energia é absorvida pelo átomo ou pela molécula neutra, ocasionando saltos quânticos dos elétrons nas camadas de energia da eletrosfera. E dependendo da energia transferida pelo choque, o átomo poderá absorver tanta energia que esta terminará por se igualar à da força com que os prótons atraem o elétron, quando então ele “pulará” para fora do átomo, quebrando o equilíbrio eletrostático e ocorrendo a ionização. Neste momento o átomo se converterá numa partícula positivamente carregada – o cátion, com os elétrons circulando livremente pelo perímetro.

Pode citar como exemplo para as colisões não elásticas, um tiro numa parede de concreto quando o projétil atingindo-a, não a desloca, mas a energia na velocidade do projétil de natureza mecânica é transferida (absorvida) para ela no momento da colisão, provocando naquele ponto a sua fragmentação.

Atualmente, a ionização também se concretiza por outros métodos, alem da captura eletrônica (de natureza radiativa). Na fotoionização a ionização ocorre pela interação entre fótons e os átomos de um gás, com os átomos absorvendo energia através de ondas eletromagnéticas na forma de radiação ultravioleta ou infravermelha. E a eficiência na fotoionização está relacionada com a secção de choque do átomo e também ao comprimento de onda que quanto menor, maior é a sua energia.

O desenvolvimento tecnológico envolvendo plasmas tem também fundamental importância nas indústrias eletrônica, aeroespacial, metalúrgica, biomédica, e de tratamento de resíduos e detritos.

Alguns resultados obtidos no moderno parque industrial só foram possíveis, graças à utilização de técnicas que utilizam de plasma e que foram desenvolvidas, em sua maior parte nas últimas décadas. Diversas aplicações do plasma têm se tornado cada vez mais importantes por reduzir o tempo e o custo de processos, devido à alta reatividade e à eficácia que promove.

O plasma é de longe a mais comum presença no Universo, tanto em massa e em volume. Não só as estrelas são feitas de plasma, mas também o espaço entre elas, que é preenchido por ele, embora de forma muito escassa.

Grande parte do Universo conhecido está em estado de plasma, sendo que apenas uma pequena parte dele é constituído por todos os outros estados de agregação da matéria – o sólido, o líquido e o gasoso.

O plasma está nas galáxias e nas nebulosas que contém gás e poeira cósmica interestelar, em estado eletrificado ou ionizado, no vento solar ou no fluido ionizado constantemente ejetado pelo sol, nos plasmas gerados e confinados pelos Cinturões de Radiação de Van Allen nas imediações do planeta Terra e na ionosfera terrestre possibilitando as comunicações via rádio.

Ele está também nas Auroras Austral e Boreal como plasmas naturais, que ocorrem nas altas latitudes da Terra e que resultam da luminescência visível pela da excitação de átomos e moléculas da atmosfera, quando bombardeados por partículas carregadas expelidas do Sol e defletidas pelo campo geomagnético. Ele se acha ainda nas lâmpadas fluorescentes já citadas e nos raios que são descargas elétricas de alta corrente (dezenas a centenas de quiloamperes) e que ocorrem na atmosfera com uma extensão usual de alguns quilômetros.

Pela física e pela química o plasma é um estado da matéria semelhante ao do gás, que nele certa porção de partículas está ionizada. Entretanto, o plasma não tem uma forma definida ou um volume determinado como o gás dentro de um recipiente. Sob a influência de um campo magnético o plasma pode formar estruturas, tais como filamentos, vigas e camadas duplas.

Como já foi mencionado, o plasma é vagamente descrito como um meio eletricamente neutro de partículas positivas e negativas, com a sua carga total sendo aproximadamente zero. Mas, é importante observar embora estas partículas sejam liberadas, elas não são “livres”. Quando as cargas se movem vão gerar correntes elétricas com campos magnéticos e como resultado, elas podem ser afetadas por um deles.

Para o plasma existir é necessário que aconteça a sua ionização, que está relacionada à sua “densidade”, termo que geralmente se refere à “densidade de elétrons” – ao número de elétrons livres por unidade de volume.

O grau de ionização de um plasma é proporcional aos átomos que nele perderam ou ganharam elétrons, dentro de um controle realizado principalmente pela temperatura.

Um plasma é muitas vezes referido como sendo “quente”, se é quase totalmente ionizado. Ou se é “frio” quando apenas uma pequena fração de suas moléculas de gás está ionizada (mais ou menos um por cento). E mesmo em um “plasma frio”, a temperatura eletrônica ainda é tipicamente milhares de graus Celsius. O plasma utilizado na “tecnologia do plasma” é geralmente o “plasma frio”.

Mas, outras definições para os termos “plasma quente e plasma frio” podem ser comumente utilizadas.

O comportamento do plasma é extremamente variado e sutil. Nele, a emergência de um comportamento inesperado de um modelo simples é uma característica típica de um sistema complexo.

Esse sistema se encontra em certo sentido na fronteira do comportamental entre o ordenado e o desordenado, sem poder ser descrito normalmente por simples funções matemáticas ou por puro acaso.

A formação espontânea de recursos interessante-espaciais que acontece em uma ampla gama de escalas de comprimento, ela é uma manifestação da complexidade do plasma. Muitos desses recursos começaram ser estudados em laboratório e, foram posteriormente reconhecidos em todo o Universo.

A “poeira” que contém minúsculas partículas carregadas normalmente encontradas no espaço, ela também se comporta como um plasma. E um plasma que contém partículas de maiores dimensões é chamado de plasma de grãos.

“Do ponto de vista cosmológico, a mais importante descoberta das novas pesquisas espaciais é provavelmente a estrutura celular do espaço, que tem sido visto em todas as regiões do Universo visível para medições in situ, como um número de paredes celulares – como folhas de correntes elétricas, que dividem o espaço em compartimentos com magnetização diferentes, temperatura, densidade, etc.” – Hannes Alfvén

Ilustração na modelagem de um plasma

Lagoa Santa/MG-BR, 21 de junho de 2011.

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 Texto de Antônio Carlos Tanure