Plasma é um estado da matéria distinto dos estados sólido, líquido e gasoso.
Caracteriza-se por ser um gás ionizado no qual os átomos perderam ou ganharam elétrons, criando uma mistura de íons positivos e elétrons livres. Num sentido mais amplo, o plasma pode ser composto de quaisquer partículas carregadas, como íons negativos, elétrons e átomos ou moléculas ionizadas.
Transição para plasma
O plasma se forma quando um gás é aquecido a temperaturas extremamente altas, suficientes para ionizar átomos e moléculas. Este estado é conhecido como o quarto estado de agregação da matéria .
Ao contrário dos sólidos, líquidos e gases, o plasma não possui forma ou volume definido. Suas partículas carregadas se movem livremente, permitindo que o plasma responda a campos elétricos e magnéticos.
Relação com eletricidade
Uma das propriedades distintivas do plasma é a sua capacidade de conduzir corrente elétrica.
Isto se deve à presença de elétrons e íons livres no plasma, que permitem que o plasma atue como condutor. Além disso, os plasmas podem gerar seus próprios campos elétricos e são altamente influenciados por campos magnéticos .
Esta propriedade torna o plasma essencial em diversas aplicações tecnológicas, como em tubos fluorescentes e luzes de néon , onde a eletricidade excita o gás no interior do tubo, produzindo luz visível.
Relação com energia de fusão nuclear
A fusão nuclear é o processo no qual dois núcleos atômicos leves se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando uma grande quantidade de energia no processo.
Para que a fusão nuclear ocorra, os núcleos atômicos devem superar uma barreira de repulsão eletrostática devido às suas cargas positivas. Isto exige que os átomos sejam mantidos a temperaturas extremamente elevadas, da ordem de milhões de graus Celsius, para que possam ganhar energia cinética suficiente para superar esta repulsão e permitir a fusão.
Nessas temperaturas extremamente altas, o material está no estado de plasma. No plasma, os átomos estão completamente ionizados e as partículas carregadas (íons e elétrons) se movem livremente. Isto é crucial porque as reações de fusão requerem temperaturas e pressões tão altas que os átomos se transformam em plasma, permitindo que os núcleos atômicos se encontrem e se fundam.
Para que a fusão nuclear seja viável, o plasma deve ser confinado e mantido nas condições necessárias. Existem dois métodos principais para confinar o plasma:
- Confinamento magnético : Utiliza campos magnéticos para manter o plasma em altas temperaturas e evitar que ele toque nas paredes do recipiente. Exemplos incluem o tokamak e o stellarator , que são dispositivos experimentais nos quais a fusão é investigada.
- Confinamento inercial : Utiliza lasers ou outros métodos para aquecer e comprimir pequenas amostras de combustível de fusão, criando as condições necessárias para a fusão.
Manter um plasma nas condições certas para fusão é um desafio técnico significativo. Os engenheiros nucleares devem controlar a temperatura, a densidade e o confinamento do plasma por tempo suficiente para que as reações de fusão ocorram de forma eficaz.
Diferenças com estados gasosos
Embora o plasma compartilhe algumas características com o estado gasoso, como a falta de forma e volume definidos, existem diferenças importantes:
- Ionização : Ao contrário dos gases comuns, no plasma os átomos são ionizados, criando uma mistura de íons e elétrons livres.
- Condução elétrica : O plasma pode conduzir eletricidade e é sensível a campos elétricos e magnéticos, enquanto os gases neutros não possuem essa capacidade.
- Interações eletromagnéticas : O plasma interage intensamente com campos magnéticos e elétricos, diferentemente dos gases que são menos afetados por esses campos.
Plasma no universo
O plasma é o estado de matéria mais abundante do universo. A maior parte da matéria bariônica (composta de prótons e nêutrons) no cosmos existe na forma de plasma. Todas as estrelas , incluindo o nosso Sol, são compostas de plasma. Mesmo o espaço interestelar, embora altamente rarefeito, contém plasma.
Por exemplo, Júpiter , o maior planeta do Sistema Solar, contém uma quantidade significativa de matéria em formas não plasmáticas (líquidos, sólidos e gases), mas o plasma é uma parte crucial da sua composição e dinâmica.
Até mesmo partículas de poeira no espaço sideral, que podem transportar carga elétrica, são consideradas parte do plasma universal. Estas partículas podem formar plasmas complexos compostos de íons carregados, contribuindo para a diversidade e extensão do plasma no cosmos.
Exemplos de plasma
Abaixo mostramos alguns exemplos de plasma que podem ser de origem natural ou artificial:
- Estrelas e Sol : As estrelas, incluindo o Sol, são compostas principalmente de plasma. No interior das estrelas, temperaturas extremamente altas provocam a ionização dos átomos, criando um plasma que permite reações de fusão nuclear.
- Auroras do Norte e do Sul : Essas impressionantes exibições de luz no céu polar são causadas por plasma. O vento solar, um plasma de partículas carregadas, interage com a atmosfera terrestre, ionizando gases e criando auroras.
- Relâmpago : Durante uma tempestade, o relâmpago cria um plasma na atmosfera. A descarga elétrica ioniza gases no ar, gerando um canal de plasma quente e brilhante.
- Vento solar : O vento solar é um fluxo de partículas carregadas (plasma) emitidas pelo Sol. Essas partículas podem interagir com o campo magnético da Terra e de outros planetas, criando fenômenos como as auroras.
- Lâmpadas de néon e tubos fluorescentes : Estas lâmpadas contêm gases em estado de plasma. Quando uma tensão elétrica é aplicada, o gás ioniza, produzindo luz. As lâmpadas neon emitem uma luz vermelha característica, enquanto as lâmpadas fluorescentes podem emitir uma gama de cores dependendo dos revestimentos internos.
- Telas de plasma : As telas de plasma, usadas em televisores e monitores, funcionam excitando gases ionizados nas células dentro da tela, produzindo luz para criar imagens.
- Fusão nuclear em laboratórios : Experimentos de fusão nuclear, como os realizados em dispositivos tokamak e stellarator , confinam um plasma a altas temperaturas para induzir reações de fusão. Estes dispositivos tentam recriar as condições extremas das estrelas num ambiente controlado.
- Corte a plasma : Na indústria, o corte a plasma utiliza um jato de plasma de alta temperatura para cortar materiais condutores, como metais. O plasma é gerado pela ionização de um gás que é forçado através de um pequeno orifício.
- Lâmpadas de plasma esférico : Estas lâmpadas decorativas contêm um gás plasma em uma esfera de vidro. Quando uma voltagem é aplicada aos eletrodos dentro da esfera, o gás é ionizado e produz um espetáculo visual de descargas luminosas.
aurora boreal
As luzes do norte (e do sul) são exemplos naturais de plasma.
Estas luzes espetaculares são geradas quando partículas carregadas do vento solar colidem com átomos na atmosfera da Terra. O vento solar, composto por um plasma de alta energia, interage com o campo magnético terrestre, fazendo com que as partículas sejam direcionadas para os pólos.
Ao colidir com moléculas na atmosfera, essas partículas ionizam gases, criando impressionantes exibições de luz conhecidas como auroras.