Plasma é um estado da matéria que resulta de um grau apreciável de ionização de um dos outros três estados clássicos, em geral o gasoso. Uma fração considerável de suas partículas possui carga elétrica, na forma de íons e/ou elétrons. Embora seja pouco comum na Terra, estima-se que 99,9% de toda a matéria comum do Universo esteja no estado de plasma. As estrelas são quase inteiramente constituídas por plasma, que também predomina no rarefeito meio intracúmulo e no meio intergaláctico. O plasma pode ser produzido artificialmente, por exemplo, aquecendo-se um gás neutro ou submetendo-o a um campo eletromagnético intenso.
A presença de partículas carregadas torna o plasma eletricamente condutor. A dinâmica das partículas e o movimento macroscópico do plasma são governados por campos eletromagnéticos coletivos e respondem com grande sensibilidade a campos externos. Essa resposta é usada em tecnologias como telas de plasma, gravação por plasma e sistemas experimentais de energia de fusão.
Dependendo das condições físicas, também pode haver partículas neutras. Nesse caso, o plasma é chamado de parcialmente ionizado. Sinais de néon e relâmpagos são exemplos de plasmas parcialmente ionizados.
Ao contrário das transições de fase entre os outros três estados clássicos da matéria, a transição para o plasma não possui um limite único e bem definido. A classificação depende do fenômeno e das condições estudadas. O grau de ionização necessário para que uma substância seja chamada de plasma varia, portanto, conforme o problema físico considerado.
Etimologia Durante seus estudos sistemáticos de gases ionizados, Irving Langmuir introduziu o termo plasma em 1928:
Exceto nas proximidades dos eletrodos, onde existem bainhas contendo muito poucos elétrons, o gás ionizado contém íons e elétrons em números aproximadamente iguais, de modo que a carga espacial resultante é muito pequena. Usaremos o nome plasma para descrever essa região que contém cargas equilibradas de íons e elétrons.
Lewi Tonks e Harold Mott-Smith, que trabalharam com Langmuir na década de 1920, recordaram que ele escolheu o termo por analogia com o plasma sanguíneo. Mott-Smith recordou em especial que o transporte de elétrons a partir de filamentos termiônicos lembrava a Langmuir "a maneira como o plasma sanguíneo transporta corpúsculos vermelhos e brancos e germes". O termo usado para o plasma sanguíneo deriva, por sua vez, da palavra grega plasma, ligada ao resultado de formar ou moldar.
História A ciência do plasma se desenvolveu a partir dos trabalhos de Irving Langmuir na década de 1920, embora suas questões iniciais tenham surgido da pesquisa sobre eletricidade. O arco elétrico foi descoberto independentemente por Vasily Petrov e Humphry Davy em 1803. Em 1831, Michael Faraday investigou de forma sistemática a descarga luminescente em gases rarefeitos.
A condução elétrica através de gases foi inicialmente tratada como um fenômeno semelhante à condução em líquidos. William Crookes, ao investigar descargas de baixa pressão, propôs outro modelo e apresentou a ideia de um quarto estado da matéria em um trabalho de 1879.
miniatura|Microcampos de campo elétrico em um plasma calculados por uma simulação de N corpos. Os elétrons se movem rapidamente enquanto os íons têm movimento mais lento.
Definições
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:
Propriedade Gás Plasma Interações Curto alcance: predominam colisões entre pares de partículas. Longo alcance: o movimento coletivo das partículas é comum e produz ondas e outros fenômenos coletivos. Condutividade elétrica Muito baixa: gases são bons isolantes até intensidades de campo elétrico da ordem de dezenas de quilovolts por centímetro. Muito alta: para muitos cálculos, a condutividade de um plasma pode ser tratada como infinita. Espécies com comportamento independente Uma: as partículas do gás têm comportamento semelhante, determinado em grande parte por colisões e pela gravidade. Duas ou mais: elétrons e íons possuem cargas diferentes e massas muito diferentes. Por isso, podem ter comportamentos distintos e produzir ondas e instabilidades próprias de plasmas.
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.
Propriedades e parâmetros miniatura|direita|Fonte de plasma da Terra, em uma representação artística. Íons de oxigênio, hélio e hidrogênio escapam para o espaço a partir de regiões próximas aos polos. A área amarela acima do polo norte corresponde ao gás que deixa a Terra, enquanto a região verde corresponde à aurora boreal, onde energia do plasma retorna à atmosfera.
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 , isto é, ao número de elétrons que contribuem para a carga por unidade de volume. O grau de ionização é a fração das partículas neutras que foram ionizadas:
em que é a densidade de íons e é a densidade de partículas neutras, expressas em número de partículas por unidade de volume. Em matéria totalmente ionizada, . Devido à quase neutralidade do plasma, as densidades de elétrons e íons se relacionam por , em que 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 miniatura|Um relâmpago, exemplo de plasma na superfície terrestre. Uma descarga típica pode conduzir cerca de 30 quiloamperes sob potenciais de até 100 megavolts e emitir ondas de rádio, luz, raios X e até raios gama. A temperatura do plasma pode se aproximar de 30.000 K, e a densidade eletrônica pode ultrapassar 1024 m−3.
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 . 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:
A diferenciação dessa relação fornece uma forma de calcular o campo elétrico a partir da densidade:
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