Plasma

O quarto estado da matéria

O plasma é chamado de quarto estado da matéria, depois do sólido, do líquido e do gás. É um estado em que uma substância ionizada se torna suficientemente condutora para que campos elétricos e magnéticos de longo alcance dominem seu comportamento.

Em geral, o plasma é um meio eletricamente quase neutro composto por partículas positivas e negativas não ligadas, de modo que sua carga total é aproximadamente zero. Embora essas partículas não estejam ligadas entre si, elas não são "livres" no sentido de estarem isentas de forças. Partículas carregadas em movimento produzem corrente elétrica, e o movimento de qualquer partícula carregada no plasma altera e sofre a ação dos campos produzidos pelas demais cargas. O resultado é um comportamento coletivo com muitos graus de liberdade.

O plasma possui propriedades diferentes das encontradas nos outros estados da matéria. Em especial, tratar um plasma de baixa densidade apenas como "gás ionizado" pode ocultar os efeitos coletivos que o distinguem de um gás comum. Os dois estados não têm forma nem volume definidos, mas diferem em pontos fundamentais:

Plasma ideal

Três condições definem um plasma ideal:

• Aproximação de plasma: aplica-se quando o parâmetro de plasma Λ, que corresponde ao número de portadores de carga dentro da esfera de Debye, é muito maior que um. Esse critério também equivale a exigir que a razão entre as densidades de energia eletrostática e térmica do plasma seja pequena. Plasmas assim são chamados de fracamente acoplados.
• Interações no volume: o comprimento de Debye deve ser muito menor que o tamanho físico do plasma. Isso faz com que as interações no interior do plasma predominem sobre os efeitos de fronteira. Quando a condição é atendida, o plasma é quase neutro.
• Baixa colisionalidade: a frequência de plasma dos elétrons, que mede suas oscilações coletivas, deve ser muito maior que a frequência de colisões entre elétrons e partículas neutras. Nessa condição, as interações eletrostáticas predominam sobre os processos comuns da cinética dos gases. Esses plasmas são chamados de não colisionais.

Plasma não neutro

A força e o alcance da interação elétrica, juntamente com a boa condutividade dos plasmas, fazem com que as densidades de cargas positivas e negativas em uma região macroscópica sejam em geral aproximadamente iguais, condição chamada de quase neutralidade. Um plasma com excesso apreciável de uma das cargas ou, no caso extremo, formado por uma única espécie, é chamado de plasma não neutro. Nesses plasmas, os campos elétricos dominam a dinâmica. Entre os exemplos estão feixes de partículas carregadas, nuvens de elétrons em uma armadilha de Penning e plasmas de pósitrons.

Plasma com poeira

Um plasma com poeira contém pequenas partículas sólidas eletricamente carregadas, comuns em ambientes espaciais. Os grãos adquirem cargas elevadas e passam a interagir entre si. Quando as partículas são maiores, também se emprega a expressão plasma granular. Em laboratório, plasmas com poeira recebem ainda o nome de plasmas complexos.

Densidade e grau de ionização

Para existir plasma, é necessária ionização. A expressão "densidade do plasma", sem outra qualificação, geralmente se refere à densidade eletrônica ${\displaystyle n_{e}}$, isto é, ao número de elétrons que contribuem para a carga por unidade de volume. O grau de ionização ${\displaystyle \alpha }$ é a fração das partículas neutras que foram ionizadas:

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

em que ${\displaystyle n_{i}}$ é a densidade de íons e ${\displaystyle n_{n}}$ é a densidade de partículas neutras, expressas em número de partículas por unidade de volume. Em matéria totalmente ionizada, ${\displaystyle \alpha =1}$. Devido à quase neutralidade do plasma, as densidades de elétrons e íons se relacionam por ${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$, em que ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$ é a carga iônica média em unidades da carga elementar.

Temperatura

A temperatura do plasma, medida com frequência em kelvin ou elétron-volt, corresponde à energia cinética térmica por partícula. Temperaturas elevadas costumam ser necessárias para sustentar a ionização. O grau de ionização é determinado principalmente pela temperatura eletrônica em relação à energia de ionização, com dependência mais fraca da densidade. Em equilíbrio térmico, essa relação é dada pela equação de Saha. Em temperaturas baixas, íons e elétrons tendem a se recombinar em estados ligados, formando átomos, e, na ausência de outro mecanismo de ionização, o plasma acaba retornando ao estado gasoso.

Na maioria dos casos, os elétrons e as partículas pesadas do plasma, isto é, íons e átomos neutros, possuem separadamente uma temperatura razoavelmente bem definida. A função de distribuição de energia de cada grupo permanece próxima de uma distribuição de Maxwell-Boltzmann mesmo na presença de campos elétricos ou magnéticos intensos. A grande diferença de massa entre elétrons e íons, porém, permite que suas temperaturas sejam muito diferentes. Isso ocorre com frequência em plasmas tecnológicos fracamente ionizados, nos quais os íons podem permanecer próximos da temperatura ambiente enquanto os elétrons alcançam milhares de kelvins. O caso inverso ocorre em plasmas de Z-pinch, nos quais a temperatura dos íons pode superar a dos elétrons.

Potencial de plasma

Como o plasma possui alta condutividade elétrica, as cargas tendem a se redistribuir de modo a reduzir os campos elétricos no interior do volume. Diferenças de potencial permanecem, porém, em regiões como as bainhas próximas de eletrodos. O potencial médio no espaço entre as partículas carregadas é chamado de potencial de plasma ou potencial espacial. Se um eletrodo for inserido no plasma, seu potencial geralmente ficará bastante abaixo do potencial do plasma devido à formação de uma bainha de Debye.

A boa condutividade mantém os campos elétricos no interior do plasma em valores pequenos. Surge daí a quase neutralidade, pela qual a densidade de cargas negativas é aproximadamente igual à densidade de cargas positivas em volumes muito maiores que o comprimento de Debye, de modo que ${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$. Na escala do comprimento de Debye ainda pode ocorrer desequilíbrio de carga. Quando se formam camadas duplas, a separação de carga pode se estender por algumas dezenas de comprimentos de Debye.

A intensidade dos potenciais e dos campos elétricos não pode ser determinada apenas pela densidade líquida de carga. Uma aproximação comum consiste em supor que os elétrons obedeçam à relação de Boltzmann:

$${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

A diferenciação dessa relação fornece uma forma de calcular o campo elétrico a partir da densidade:

$${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

Também é possível produzir um plasma que não seja quase neutro. Um feixe de elétrons, por exemplo, contém apenas cargas negativas. A densidade de um plasma não neutro em geral precisa ser muito baixa, ou o sistema deve ser muito pequeno, caso contrário a repulsão eletrostática provoca sua dispersão.

Magnetização

A presença de partículas carregadas faz com que o plasma produza campos magnéticos e sofra sua ação. Um plasma é chamado de magnetizado quando o campo magnético é forte o suficiente para alterar de maneira apreciável o movimento das partículas carregadas. Um critério quantitativo comum exige que uma partícula complete, em média, ao menos uma rotação ao redor de uma linha do campo magnético antes de sofrer uma colisão, isto é, ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$, em que ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$ é a girofrequência eletrônica e ${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$ é a frequência de colisões dos elétrons. É comum que os elétrons estejam magnetizados enquanto os íons não estão.

Plasmas magnetizados são anisotrópicos, pois suas propriedades paralelas ao campo magnético diferem das propriedades na direção perpendicular. Embora os campos elétricos no interior de um plasma sejam geralmente pequenos por causa de sua alta condutividade, o campo elétrico ligado a um plasma que se move com velocidade ${\displaystyle \mathbf {v} }$ em um campo magnético ${\displaystyle \mathbf {B} }$ é dado pela expressão de Lorentz ${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$ e não é eliminado pela blindagem de Debye.

Modelo de fluido

Modelos de fluido descrevem o plasma por grandezas suavizadas, como a densidade e a velocidade média em cada posição. Um dos modelos mais simples, a magnetoidrodinâmica, trata o plasma como um único fluido regido por uma combinação das equações de Maxwell e das equações de Navier-Stokes. Uma formulação mais geral é o modelo de dois fluidos, em que íons e elétrons são tratados separadamente.

Os modelos de fluido são adequados quando a colisionalidade é suficientemente alta para manter a distribuição de velocidades próxima de uma distribuição de Maxwell-Boltzmann. Como geralmente atribuem um único fluxo e uma temperatura a cada posição, não reproduzem diretamente estruturas no espaço de velocidades, como feixes de partículas, nem certos efeitos de interação entre ondas e partículas. Esses fenômenos exigem uma descrição cinética.

Modelo cinético

Modelos cinéticos especificam a função de distribuição das velocidades das partículas em cada ponto do plasma e, por isso, não precisam supor uma distribuição de Maxwell-Boltzmann. Essa descrição costuma ser necessária para plasmas não colisionais. Uma abordagem representa a função de distribuição suavizada em uma grade de posições e velocidades. Outra, conhecida como método partícula na célula ou PIC, acompanha as trajetórias de um grande número de partículas individuais.

Modelos cinéticos costumam exigir mais recursos computacionais que modelos de fluido. A equação de Vlasov pode ser usada para descrever a dinâmica de partículas carregadas que interagem com um campo eletromagnético. Em plasmas magnetizados, a aproximação girocinética reduz os graus de liberdade rápidos ligados ao movimento ciclotrônico e pode diminuir de forma substancial o custo de uma simulação cinética completa.

Espaço e astrofísica

Mais de 99% da matéria observada no Universo visível está no estado de plasma. Acima da superfície da Terra, a ionosfera é um plasma, e a magnetosfera também contém plasma.

No Sistema Solar, o espaço interplanetário é preenchido pelo plasma expelido no vento solar, desde a superfície do Sol até a heliopausa. Estrelas distantes e grande parte do meio interestelar e do meio intergaláctico também contêm plasma, embora em densidades muito baixas.

Plasmas astrofísicos também são encontrados em discos de acreção ao redor de estrelas ou objetos compactos, como anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros em sistemas de estrelas binárias. O plasma também participa da ejeção de matéria em jatos astrofísicos, observados em buracos negros com acreção e em galáxias ativas, como no jato de M87, que pode se estender por cerca de 5.000 anos-luz.

Plasmas artificiais

A maioria dos plasmas artificiais é produzida pela aplicação de campos elétricos e/ou magnéticos a um gás. Plasmas de laboratório e de uso industrial podem ser classificados pela fonte de energia, pressão, grau de ionização, relação entre as temperaturas das espécies, configuração dos eletrodos e grau de magnetização.

• Pela fonte de energia: corrente contínua, corrente alternada, em geral em radiofrequência, ou micro-ondas.
• Pela pressão: vácuo, com valores inferiores a cerca de 1 Pa, pressão intermediária, em torno de 100 Pa, ou pressão atmosférica, em torno de 100 kPa.
• Pelo grau de ionização: totalmente, parcialmente ou fracamente ionizado.
• Pela relação entre temperaturas: plasma térmico, com ${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gás}}}$, ou plasma não térmico, também chamado de "frio", com ${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gás}}}$.
• Pela configuração dos eletrodos usados na geração.
• Pela magnetização: magnetizado, quando íons e elétrons ficam presos em órbitas de Larmor, parcialmente magnetizado, quando apenas os elétrons ficam presos, ou não magnetizado, quando o campo não é forte o bastante para confinar as partículas em órbitas, embora ainda possa exercer força de Lorentz.

Geração de plasma artificial

Há diferentes métodos para gerar plasma, mas todos exigem fornecimento de energia para criá-lo e sustentá-lo. Em descargas elétricas, um plasma pode ser produzido quando uma diferença de potencial aplicada a um gás dielétrico fornece energia suficiente aos elétrons para iniciar processos de excitação e ionização.

A diferença de potencial cria um campo elétrico que acelera elétrons na direção do ânodo e íons positivos na direção do cátodo. À medida que a tensão aumenta, a polarização elétrica e a aceleração de portadores podem levar o gás além de sua rigidez dielétrica. Ocorre então a ruptura dielétrica, muitas vezes acompanhada por uma faísca elétrica, e o meio passa de isolante a condutor à medida que a ionização aumenta.

Um dos mecanismos envolvidos é a avalanche de Townsend. Colisões de elétrons suficientemente energéticos com átomos ou moléculas neutras produzem novos elétrons e íons. Cada nova carga pode ser acelerada e causar novas colisões ionizantes, permitindo o crescimento rápido do número de portadores.

Arco elétrico

Um arco elétrico é uma descarga elétrica contínua entre dois eletrodos, semelhante em alguns aspectos a um relâmpago. Com densidade de corrente suficiente, a descarga forma um arco luminoso. O material entre os eletrodos, em geral um gás, passa por regimes de saturação, ruptura, descarga luminescente, transição e arco térmico. A tensão atinge seu máximo na fase de saturação e varia nos regimes seguintes, enquanto a corrente cresce progressivamente.

A resistência elétrica ao longo do arco produz calor, que dissocia moléculas e ioniza os átomos resultantes. A energia elétrica é transferida principalmente aos elétrons, que, por sua alta mobilidade e grande quantidade, a redistribuem rapidamente às partículas pesadas por colisões elásticas.

Exemplos de plasma industrial

Plasmas são usados em processos de metalurgia industrial e extrativa, tratamentos superficiais como aspersão por plasma, gravação em microeletrônica, corte de metais e soldagem. Também são empregados no tratamento de gases de escapamento de veículos, em lâmpadas fluorescentes e dispositivos eletroluminescentes, em sistemas de ignição e em pesquisas com motores de combustão supersônica para engenharia aeroespacial.

No Brasil, o Laboratório de Superfícies e Filmes Finos da COPPE/UFRJ construiu e empregou um reator indutivo de radiofrequência em pesquisas de tratamento de materiais por plasma. O equipamento utiliza uma bobina indutiva ao redor de uma câmara tubular de vidro e foi empregado, entre outros trabalhos, no tratamento com plasma de argônio de membranas de óxido de grafeno.

Descargas de baixa pressão

• Plasmas de descarga luminescente: plasmas não térmicos gerados pela aplicação de corrente contínua ou de campos de radiofrequência de baixa frequência, abaixo de aproximadamente 100 kHz, entre dois eletrodos metálicos. É o tipo de plasma produzido em lâmpadas fluorescentes.
• Plasma acoplado capacitivamente: semelhante à descarga luminescente, mas produzido com campos de radiofrequência mais alta, em geral 13,56 MHz. As bainhas são menos intensas. É usado em microfabricação e na fabricação de circuitos integrados, inclusive na gravação por plasma e na deposição química de vapor assistida por plasma.
• Fonte de plasma de arco em cascata: dispositivo usado para produzir plasmas de baixa temperatura, da ordem de 1 eV, e alta densidade.
• Plasma acoplado indutivamente: semelhante ao plasma acoplado capacitivamente e empregado em aplicações parecidas, mas o eletrodo é uma bobina ao redor da câmara em que o plasma se forma.
• Plasma aquecido por ondas: em geral emprega radiofrequência ou micro-ondas. Entre os exemplos estão a descarga de hélicon e a ressonância ciclotrônica eletrônica.

Pressão atmosférica

• Descarga de arco: descarga térmica de alta potência, com temperaturas da ordem de 10.000 K. Pode ser produzida por diferentes fontes de energia e é usada em processos metalúrgicos, inclusive na fusão de materiais contendo Al₂O₃ para produção de alumínio.
• Descarga corona: descarga não térmica produzida pela aplicação de alta tensão a eletrodos com pontas de pequena curvatura. É usada, entre outras aplicações, em geradores de ozônio e precipitadores eletrostáticos.
• Descarga de barreira dielétrica: descarga não térmica gerada por altas tensões através de pequenos espaços, com ao menos uma barreira isolante impedindo que a descarga evolua para um arco. Na indústria, por vezes é chamada de forma imprecisa de descarga corona. Um uso é o atuador de plasma para redução do arrasto de veículos. A descarga também é usada no tratamento superficial de tecidos. Em tecidos sintéticos e plásticos, o tratamento altera a superfície e facilita a adesão de tintas, colas e outros materiais. Experimentos realizados na década de 1990 mostraram que plasmas de pressão atmosférica e baixa temperatura podiam inativar células bacterianas. Trabalhos posteriores com células de mamíferos deram origem ao campo da medicina de plasma. A configuração de barreira dielétrica também foi empregada em jatos de plasma de baixa temperatura, produzidos por ondas rápidas de ionização guiada chamadas de "balas de plasma".
• Descarga capacitiva: plasma não térmico produzido pela aplicação de radiofrequência, como 13,56 MHz, a um eletrodo energizado, enquanto um eletrodo aterrado permanece separado por uma distância da ordem de 1 cm. A descarga pode ser estabilizada por um gás nobre, como hélio ou argônio.
• Descarga direta piezoelétrica: plasma não térmico produzido no lado de alta tensão de um transformador piezoelétrico. Essa técnica permite construir dispositivos compactos sem uma fonte separada de alta tensão.

Filamentação

Estruturas em forma de estrias ou filamentos são observadas em muitos plasmas, entre eles os de globos de plasma, auroras, relâmpagos, arcos elétricos, erupções solares e remanescentes de supernovas. Em alguns casos, os filamentos estão ligados a densidades maiores de corrente, e a interação com o campo magnético pode produzir estruturas de fluxo magnético em forma de corda.

O termo filamentação também é usado para a autofocalização de pulsos de laser de alta potência. Em intensidades elevadas, a parte não linear do índice de refração aumenta o índice no centro do feixe, onde a intensidade é maior. Esse efeito focaliza ainda mais a luz. Quando a irradiância cresce o bastante, o laser ioniza o meio e produz plasma. Como o plasma tem índice de refração inferior ao do gás neutro, ele tende a desfocalizar o feixe. O equilíbrio dinâmico entre a focalização não linear e a desfocalização produzida pelo plasma pode gerar um filamento com extensão que vai de micrômetros a quilômetros. A densidade de íons no plasma formado por filamentação pode permanecer relativamente baixa por causa da desfocalização causada pelos elétrons ionizados.

Plasma impermeável

Plasma impermeável é uma forma de plasma térmico que se comporta como uma barreira ao movimento de gás frio ou de plasma mais frio e pode ser deslocada mecanicamente. A interação entre gás frio e plasma térmico foi estudada brevemente por um grupo liderado por Hannes Alfvén nas décadas de 1960 e 1970, em pesquisas sobre o isolamento de plasma de fusão nuclear das paredes de reatores. Experimentos e análises posteriores mostraram que campos magnéticos externos nessa configuração podiam produzir instabilidades do tipo kink, elevando a perda de calor para as paredes.

Em 2013, um grupo de pesquisadores relatou a produção de plasma impermeável estável sem confinamento magnético, usando apenas uma camada de gás frio sob pressão muito alta. A pressão dificultou a obtenção de dados espectroscópicos detalhados, mas o efeito do plasma na síntese de diferentes nanoestruturas foi usado para acompanhar o confinamento. O trabalho também propôs que, mantida a impermeabilidade por dezenas de segundos, a blindagem de íons na interface entre plasma e gás pode produzir um modo secundário de aquecimento viscoso e alterar a cinética das reações e a formação de nanomateriais.