Física de plasmas

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Plasmas são comumente descritos como o “quarto estado da matéria” (os outros três primeiros sendo os estados sólido, líquido e gasoso). Na realidade essa descrição não é muito adequada, pois a passagem de um gás para a forma de plasma não ocorre através de uma “transição de fase” bem definida, como nas transições do estado sólido para líquido e deste para gás, mas certamente o plasma pode ser considerado um estado distinto da matéria, caracterizado por possuir um número de partículas eletricamente carregadas suficiente para afetar suas propriedades e comportamento.

De uma forma simples e resumida, um plasma pode ser considerado como um gás no qual uma fração substancial dos átomos está ionizada. Um processo simples de ionização é aquecer o gás para que seu grau de ionização aumente devido à ionização por impacto eletrônico, por exemplo. Desse modo, um gás se torna um plasma quando a adição de calor ou outra forma de energia faz com que um número significante de seus átomos libere alguns ou todos os seus elétrons. Estes átomos que perdem elétrons ficam "ionizados", ou seja, com uma carga positiva resultante, e os elétrons separados de seus átomos ficam livres para se mover pelo gás, interagindo com outros átomos e elétrons.

Quando o número de átomos ionizados é relativamente pequeno, a interação entre as partículas carregadas do gás ionizado é dominada por processos colisionais, ou seja, que envolvem principalmente colisões binárias entre elas. Quando o número de partículas carregadas é substancial, a interação entre as partículas carregadas é dominada por processos coletivos, ou seja, a dinâmica de cada uma delas é determinada pelos campos elétricos e magnéticos produzidos por todas as outras partículas carregadas do meio. Neste caso, o gás ionizado passa a ser denominado plasma.[1][2]

História[editar | editar código-fonte]

O termo "plasma" foi introduzida por Irving Langmuir (Prêmio Nobel de Química em 1932), quando estava estudando descargas elétricas em vapor de mercúrio, na década de 1920, no "General Electric Research Laboratory", nos Estados Unidos. Ele notou que as características do gás ionizado produzido nessas descargas eram razoavelmente uniformes em todo o seu volume e que ele se moldava à forma do tubo onde era produzido.

Após os estudos iniciais de Langmuir, as investigações científicas sobre plasmas ficaram limitadas, por algum tempo, a grupos envolvidos no desenvolvimento de válvulas eletrônicas e de micro-ondas, principalmente em laboratórios industriais. No entanto, a partir do início de 1940, aproximadamente, houve um grande avanço na investigação da Física de Plasma na comunidade de astrofísica, porque ficou claro que a maioria dos processos físicos relevantes em estrelas, galáxias e no meio interestelar envolviam processos de plasma. Em particular, o físico indiano Subramaniam Chandrashekhar, Prêmio Nobel de Física em 1983, desenvolveu modelos teóricos novos para estudar a dinâmica de galáxias e a evolução estelar utilizando vários conceitos de plasmas e o físico sueco Hannes Alfvén, Prêmio Nobel de Física em 1970, descobriu as ondas magnetohidrodinâmicas, que são excitadas em plasmas magnetizados, ao estudar os mecanismos de aquecimento da coroa solar. [3]

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Uma das motivações para o desenvolvimento da Física de Plasma veio da investigação do processo de fusão termonuclear para produção de energia. Para que núcleos leves se fundam, produzindo energia a partir do processo de fusão nuclear, é necessário que colidam com energia suficiente para vencer a repulsão coulombiana, ou seja, que tenham energia suficiente para se aproximarem uma distância da ordem do raio nuclear, apesar da repulsão eletrostática entre eles. Os estudos iniciais demonstraram que não era viável utilizar aceleradores de partículas para este fim, porque a energia gasta para acelerar os núcleos reagentes é superior à energia obtida com o processo de fusão, de forma que não há ganho energético no processo completo.

No entanto, é possível conseguir ganho fazendo que o processo de fusão ocorra num gás altamente aquecido porque, devido à distribuição Maxwelliana de energia entre partículas, numa temperatura suficientemente alta, haverá sempre partículas com energia suficiente para vencer a barreira coulombiana e se fundirem. Basicamente a temperatura do gás tem que ser alta o suficiente para que a energia térmica seja da ordem da energia de repulsão coulombiana e a energia produzida pelas reações de fusão seja maior que a perdida por radiação, em particular radiação de bremsstrahlung. Isso fez com que a pesquisa para desenvolvimento de reatores à fusão levasse a um rápido avanço da Física de Plasma, nas quatro últimas décadas.

A pesquisa em fusão nuclear permitiu descobrir várias aplicações tecnológicas de plasmas que forma sendo gradualmente incorporadas em processos industriais a partir dos anos sessenta, em particular na indústria eletrônica. Atualmente, mais de 85% de todos os processos utilizados nessas indústrias envolvem algum tipo de plasma. Além disso, a utilização de plasmas permitiu o desenvolvimento de novos materiais, como filmes finos de diamantes, fuelerenos e nanotubos, materiais resistentes à corrosão e muitos outros. Por isso, há uma intensa atividade em todo o mundo, tanto em laboratórios de pesquisa acadêmica como industriais, dedicada ao desenvolvimento de aplicações tecnológicas de plasmas, de forma que a utilização de plasmas de baixa temperatura para manufatura e processamento de materiais avançados constitui uma nova fronteira da Física de Plasma.[4]

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  1. «Plasma Science and Technology - Basics - Overview». www.plasmas.org. Consultado em 27 de junho de 2017 
  2. «Theoretical Principles of Plasma Physics and Atomic Physics». www.plasmaphysics.org.uk. Consultado em 27 de junho de 2017 
  3. Galvão, Ricardo M. O. (2006). «Introdução à física de plasmas e suas aplicações tecnológicas» (PDF). VI Escola do CBPF. Consultado em 27 de junho de 2017 
  4. Chen, Francis F. (1 de junho de 1995). «Industrial applications of low‐temperature plasma physics». Physics of Plasmas. 2 (6): 2164–2175. ISSN 1070-664X. doi:10.1063/1.871477