Plasma

Plasma , na física, um meio condutor de eletricidade no qual existem números aproximadamente iguais de partículas carregadas positiva e negativamente, produzidas quando os átomos de um gás se tornam ionizados. Às vezes é referido como o quarto estado da matéria, distinto do sólido , estado líquido e gasoso.

A carga negativa geralmente é carregada por elétrons , cada um dos quais possui uma unidade de carga negativa. A carga positiva é tipicamente transportada por átomos ou moléculas que não possuem os mesmos elétrons. Em alguns casos raros, mas interessantes, os elétrons faltam em um tipo de átomo ou molécula tornam-se ligados a outro componente, resultando em um plasma contendo íons positivos e negativos. O caso mais extremo desse tipo ocorre quando partículas de poeira pequenas, mas macroscópicas, ficam carregadas em um estado conhecido como plasma empoeirado. A singularidade do estado de plasma é devido à importância das forças elétricas e magnéticas que atuam em um plasma, além de forças como gravidade que afetam todas as formas de matéria. Como essas forças eletromagnéticas podem atuar a grandes distâncias, um plasma agirá coletivamente como um fluido, mesmo quando as partículas raramente colidem umas com as outras.



Quase toda a matéria visível no universo existe no estado de plasma, ocorrendo predominantemente nesta forma no sol e estrelas e no espaço interplanetário e interestelar. Auroras, relâmpago , e os arcos de soldagem também são plasmas; plasmas existem em lâmpadas de néon e fluorescentes, na estrutura cristalina de sólidos metálicos e em muitos outros fenômenos e objetos. O terra em si está imerso em um tênue plasma denominado vento solar e está rodeado por um plasma denso denominado ionosfera.



Um plasma pode ser produzido em laboratório aquecendo um gás a uma temperatura extremamente alta, o que causa colisões tão vigorosas entre seus átomos e moléculas que os elétrons são liberados, produzindo os elétrons e íons necessários. Um processo semelhante ocorre dentro das estrelas. No espaço, o processo de formação de plasma dominante é a fotoionização, em que os fótons da luz solar ou da luz das estrelas são absorvidos por um gás existente, causando a emissão de elétrons. Como o Sol e as estrelas brilham continuamente, virtualmente toda a matéria torna-se ionizada em tais casos, e diz-se que o plasma está totalmente ionizado. Este não precisa ser o caso, pois um plasma pode estar apenas parcialmente ionizado. Um plasma de hidrogênio completamente ionizado, consistindo apenas de elétrons e prótons (núcleos de hidrogênio), é o plasma mais elementar.

O desenvolvimento da física do plasma

O conceito moderno do estado de plasma é de origem recente, datando apenas do início dos anos 1950. Sua história está entrelaçada com muitos disciplinas . Três campos básicos de estudo deram contribuições iniciais únicas para o desenvolvimento da física do plasma como uma disciplina: descargas elétricas, magnetohidrodinâmica (na qual um fluido condutor como o mercúrio é estudado) e teoria cinética.



O interesse nos fenômenos de descarga elétrica pode ser rastreado até o início do século 18, com três físicos ingleses - Michael Faraday na década de 1830 e Joseph John Thomson e John Sealy Edward Townsend na virada do século 19 - estabelecendo as bases do presente compreensão dos fenômenos. Irving Langmuir introduziu o termo plasma em 1923 enquanto investigava as descargas elétricas. Em 1929, ele e Lewi Tonks, outro físico que trabalhava nos Estados Unidos, usaram o termo para designar as regiões de uma descarga nas quais certas variações periódicas dos elétrons carregados negativamente poderiam ocorrer. Eles chamaram essas oscilações de oscilações de plasma, seu comportamento sugerindo o de uma substância gelatinosa. Não até 1952, no entanto, quando dois outros físicos americanos, David Bohm e David Pines, primeiro considerado o comportamento coletivo dos elétrons em metais como distinto daquele em gases ionizados, foi a aplicabilidade geral do conceito de um plasma totalmente apreciada.

O coletivo comportamento de partículas carregadas em campos magnéticos e o conceito de um fluido condutor são implícito em estudos magnetohidrodinâmicos, cujas bases foram lançadas no início e meados do século XIX por Faraday e André-Marie Ampère da França. Porém, somente na década de 1930, quando novos fenômenos solares e geofísicos foram descobertos, muitos dos problemas básicos da interação mútua entre gases ionizados e campos magnéticos foram considerados. Em 1942, Hannes Alfvén, um físico sueco, introduziu o conceito de ondas magneto-hidrodinâmicas. Esta contribuição, juntamente com seus estudos adicionais de plasmas espaciais, levou Alfvén ao recebimento do premio Nobel para Física em 1970.

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Essas duas abordagens distintas - o estudo das descargas elétricas e o estudo do comportamento dos fluidos condutores em campos magnéticos - foram unificadas pela introdução da teoria cinética do estado do plasma. Essa teoria afirma que o plasma, como o gás, consiste em partículas em movimento aleatório, cujas interações podem ser por meio de forças eletromagnéticas de longo alcance, bem como por meio de colisões. Em 1905, o físico holandês Hendrik Antoon Lorentz aplicou a equação cinética para átomos (a formulação do físico austríaco Ludwig Eduard Boltzmann) ao comportamento de elétrons em metais. Vários físicos e matemáticos nas décadas de 1930 e 40 desenvolveram ainda mais a teoria cinética do plasma com um alto grau de sofisticação. Desde o início dos anos 1950, o interesse tem se concentrado cada vez mais no próprio estado do plasma. A exploração espacial, o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos, uma consciência crescente da importância dos campos magnéticos nos fenômenos astrofísicos e a busca por reatores termonucleares controlados (fusão nuclear) têm estimulado esse interesse. Muitos problemas permanecem sem solução na pesquisa da física do plasma espacial, devido à complexidade dos fenômenos. Por exemplo, as descrições do vento solar devem incluir não apenas equações que lidam com os efeitos da gravidade, temperatura e pressão conforme necessário na ciência atmosférica, mas também as equações do físico escocês James Clerk Maxwell , que são necessários para descrever o campo eletromagnético.

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