Quase todo o material do universo esta na forma de gás ionizado ou plasma. O Universo é composto de 99% de plasma. No meio interestelar o plasma é de baixa temperatura e baixa densidade, enquanto no interior das estrelas ele é extremamente quente e denso, a aurora boreal (figura 1) é um exemplo de plasma de baixa temperatura e baixa densidade.
O centro do Sol por exemplo tem uma temperatura de aproximadamente 107K enquanto a Fotosféra tem temperatura de aproximadamente 5800K.
Na Terra, conhecemos três estados da matéria, sólido, líquido e gasoso, mas em 1879 o físico Inglês William Crookes identificou um quarto estado da matéria, uma forma de gás ionizado.
A palavra “PLASMA” foi usada pela primeira vez pelo Químico e Físico Americano Dr. Irving Langmuir em 1928 para descrever gás ionizado.
Existem Plasmas de diversas temperaturas e densidades, alguns de baixa temperatura e pouco densos (aurora boreal) e outros muito quente e denso (centro das estrelas). Normalmente os sólidos, líquidos e gases, estão eletricamente neutros e igualmente frios e densos para estarem em estado de plasma.
O Plasma pode ser acelerado e dirigido por campos elétricos e magnéticos, os quais permitem que o plasma possa ser controlado e aplicado. A pesquisa de plasma serve para o grande entendimento do universo. Ela também fornece algumas aplicações práticas como produção de novas tecnologias, produtos de consumo, e a exploração de energia abundante no universo.
O que é plasma?
O termo plasma na física, foi utilizado pela primeira vez pelo físico americano, Irving Langmuir no ano de 1928, quando estudava descargas elétricas em gases.
A palavra plasma vem da medicina onde é utilizada para apontar perturbação ou estado não distinguível.
Na superfície da Terra o plasma só se forma em condições especiais. Devido a força gravitacional da Terra ser fraca para reter o plasma, não é possível mantê-lo confinado por longos períodos como acontece no Sol. O Sol, assim como todas estrelas que emitem luz se encontram no quarto estado da matéria. Na ionosfera terrestre, temos o surgimento da Aurora Boreal, que é um plasma natural, assim como o fogo. São sistemas compostos por um grande número de partículas carregadas, distribuídas dentro de um volume (macroscópico) onde haja a mesma quantidade de cargas positivas e negativas.
Este meio recebe o nome de Plasma, e foi chamado pelo fisco inglês W. Clux de o quarto estado fundamental da matéria, pro conter propriedades diferentes do estado sólido, líquido e gasoso.
Esta mudança de estado acontece da seguinte forma: ao adicionarmos calor ao sólido este se transforma em líquido; se adicionarmos mais calor, este se transforma em gás e se aquecermos este gás a altas temperaturas, obtemos o plasma. Sendo assim, se colocarmos em ordem crescente conforme a quantidade de energia que a matéria possui teremos:
SÓLIDO > LÍQUIDO > GASOSO > PLASMA
A importância do estudo de física de plasma se dá em função de que, o universo matéria é 99% composto por matéria ionizada em forma de plasma, ou seja, no planeta Terra, onde a matéria se encontra normalmente nos três estados: sólido, líquido e gasoso, pode-se dizer que em relação ao Universo, vivemos num ambiente especial e raro.
Física dos plasmas
O objetivo da física dos plasmas é compreender o comportamento de gases ionizados usando uma metodologia interdisciplinar e novas técnicas de análise. A física dos plasmas moderna aborda problemas importantes associados a fenômenos não-lineares, que envolvem muitos corpos, em sistemas fora do equilíbrio.
Avanços na física dos plasmas dependem, essencialmente, do inter-relacionamento entre teoria e experimento. Experimentos em física básica são de vital importância para o avanço da física dos plasmas. Eles devem ser projetados para identificar um determinado fenômeno e explorar uma larga faixa de parâmetros envolvidos nestes fenômenos. A física dos plasmas teórica e computacional complementa a observação experimental.
Pesquisa com plasmas quiescentes no LAP
O desenvolvimento de fontes de plasmas quiescentes (“Q-machines”), durante os anos 60, tornou possível as primeiras verificações experimentais da teoria dos plasmas. Plasmas quiescentes ainda são amplamente usados na pesquisa básica de plasma conduzida em laboratório.
Os plasmas quiescentes são frios e fracamente ionizados. O confinamento por cúspides magnéticas multipolares, produzidas por ímãs permanentes, reduz as perdas por colisões que ocorrem entre as partículas do plasma e as paredes da câmara de confinamento, aumentando a densidade de partículas nestas descargas luminescentes.
A foto mostra a máquina de plasma quiescente do Laboratório Associado de Plasma do INPE. Em 1989, esta máquina substituiu uma máquina de plasma duplo, de menores dimensões, que foi o primeiro aparelho experimental do LAP, com início de operação a partir de 1979.
Plasma de argônio no interior da máquina de plasma quiescente do LAP. A luminescência resulta da excitação de átomos pelos elétrons do plasma. Ímãs permanentes são colocados em volta da parede interna da câmara de vácuo, produzindo um campo magnético de confinamento por cúspides multipolares. Pode-se ver claramente que os elétrons de alta energia seguem as linhas de campo magnético. O objeto fino e escuro no meio do plasma é uma sonda eletrostática.
Experimentos realizados no LAP
Algumas das principais linhas de pesquisa abordadas pela física dos plasmas são: 1) interações partícula-onda e aquecimento de plasma; 2) dinâmica não-linear, caos, turbulência e transporte; 3) bainha de plasma e física da borda; 4) reconexão magnética e efeito dínamo; 5) plasmas não neutros e sistemas fortemente correlacionados.
As máquinas de plasma quiescente são particularmente apropriadas para estudar os primeiros três tópicos listados acima. Os experimentos já realizados nas máquinas de plasma quiescente do LAP abordaram os seguintes tópicos:
- propagação e amortecimento de ondas de Langmuir e ondas íon-acústicas em plasmas com várias espécies iônicas;
- fenômenos de expansão da bainha de plasma; geração e propagação de ondas íon-acústicas solitárias;
- formação e propriedades de sólitons em plasmas com íons negativos;
- turbulência íon-acústica e formação de camada dupla;
- interação feixe-plasma e turbulência de ondas de Langmuir.
Autoria: Deisy Morselli Gysi
