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Faíscas voam quando você usa uvas no microondas: aqui está a ciência do porquê

Esta imagem estática de um experimento envolvendo duas contas esféricas de água de hidrogel destaca o momento em que as faíscas voam pela primeira vez no experimento crítico que descobriu a origem física desse plasma. (Crédito: L. C. Liu, M. S. Lin, Y. F. Tsai)

• Quando você coloca dois hemisférios de uva juntos em um forno de micro-ondas, eles criam um show de luzes espetacular.
• As microondas criam um plasma, mas a física complexa de por que isso ocorre tem sido um ponto de discórdia entre os teóricos.
• Por fim, um experimento de alta precisão identificou o porquê, e é simplesmente o eletromagnetismo clássico em ação, não uma ressonância complicada.

Por mais de 20 anos, as uvas no microondas têm sido um truque popular para criar um plasma - e um show espetacular, embora confuso - em sua própria casa. O truque, conforme relatado em toda a internet, é:

• pegue uma uva
• corte-o muito bem ao meio
• exceto para deixar uma ponte fina de casca de uva conectando os hemisférios
• coloque no microondas (sem a bandeja rotativa)

E então sente-se e veja as faíscas voarem!

Supunha-se, por muitos, que as faíscas eram causadas simplesmente por condução elétrica: as micro-ondas interagiram com as uvas, criaram uma diferença no potencial elétrico entre os dois hemisférios e, quando o potencial se tornou grande o suficiente, a corrente fluiu. Quando essa corrente fluiu pela casca da uva, ela a aqueceu devido à resistência elétrica da casca e, como resultado, os elétrons foram expulsos de seus núcleos atômicos, criando o efeito de plasma que é tão visível. Há apenas um problema com essa explicação: tudo. Aqui está a ciência do que realmente faz com que as uvas brilhem no micro-ondas e como descobrimos isso.

Quando uma uva é cortada quase perfeitamente ao meio, mas uma ponte fina de casca de uva é deixada conectando-as, uma viagem ao microondas fará com que faíscas voem, criando um plasma ao longo da ponte. Apesar de ser um truque de salão comum há décadas, a investigação científica sobre esse fenômeno só começou em 2018. ( Crédito : vídeo do New York Times)

A primeira coisa que gostaríamos de fazer, sempre que formulamos qualquer hipótese, é testar a premissa em que ela se baseia. Em outras palavras, quando temos uma ideia de como as coisas funcionam, não apenas colocamos essa ideia à prova; voltamos ao ponto de partida – nossas suposições que nos levaram a formar nossa hipótese em primeiro lugar – e nos certificamos de que elas são realmente um ponto de partida válido.

Neste caso, a suposição é que a uva precisa ser dividida para que os dois hemisférios sejam quase completamente cortados, mas não completamente. É preciso haver uma película fina, sólida, mas sem a condutividade elétrica do interior aquoso de uma uva que conecta os dois hemisférios.

O teste mais simples que poderíamos realizar para ver se esse é mesmo o caso é pegar duas uvas completamente separadas e repetir o experimento. Em vez de uma única uva cortada perfeitamente e quase perfeitamente ao meio, pegaríamos duas uvas distintas e as colocaríamos juntas: tão próximas que quase se tocam, mas não exatamente. Se a condução elétrica fosse o mecanismo em jogo, não haveria faíscas, nem plasma, nem troca de carga elétrica.

Duas uvas inteiras, quando colocadas extremamente próximas umas das outras e aquecidas no micro-ondas, começarão a produzir faíscas e criar plasma no espaço entre as duas uvas. Embora seja um fenômeno divertido, há uma ciência espetacular por trás disso. ( Crédito : Vídeo do New York Times.)

Claramente, quando realizamos esse experimento, podemos ver a falha em nossa suposição de que a condução elétrica é o mecanismo por trás da faísca entre duas uvas. Também podemos ver que a casca da uva não é parte essencial desse processo, que uma conexão física entre os dois lados do experimento não é necessária e que algum outro mecanismo deve desempenhar um papel para explicar o que observamos.

Em 2019, uma equipe de três cientistas – Hamza Khattak, Pablo Bianucci e Aaron Slepkov – colocar um papel essa ressonância afirmada era a culpada. As próprias uvas se comportam como cavidades ressonantes e, embora as próprias micro-ondas tenham um comprimento de onda cerca de 10 vezes o tamanho físico de uma uva, os campos eletromagnéticos gerados por essas micro-ondas se concentram nas próprias uvas. Os autores então supuseram que essa ressonância acaba criando pontos quentes nas próprias uvas, em particular na junção entre duas uvas.

Ao combinar imagens térmicas com simulações de computador, eles acreditavam ter finalmente explicado esse quebra-cabeça doméstico de longa data.

Seja entre os hemisférios de uva conectados com uma ponte de pele (A), duas uvas inteiras (B) ou duas esferas de hidrogel sem pele (C), as faíscas de plasma não apenas existem, mas refletem os íons responsáveis ​​​​por gerar o plasma: potássio e sódio. ( Crédito : H. K. Khattak, PNAS, 2019)

A chave para suas conclusões veio dos estudos de imagem térmica. Seja usando duas uvas ou um par de hidrogéis do tamanho de uma uva, eles transformaram uma câmera infravermelha de medição de calor nesses objetos enquanto eles estavam sendo aquecidos no micro-ondas. Se as microondas estivessem aquecendo o material interno uniformemente, você esperaria que a temperatura aumentasse igualmente nas uvas e/ou hidrogéis. Somente se houvesse algum tipo de aquecimento desigual ocorrendo – onde os objetos desenvolvessem um ou mais pontos quentes neles – você recorreria a uma explicação mais complicada.

Mas essa última situação, onde os hotspots se desenvolveram, foi precisamente o que os pesquisadores observaram. Em particular, eles viram que os hotspots não se desenvolveram apenas em qualquer lugar, mas na junção entre os dois objetos. Se eles usaram dois hemisférios conectados por uma ponte fina, duas uvas descascadas ou duas esferas de hidrogel, o mesmo fenômeno ocorreu: o aquecimento ocorre principalmente no local onde esses dois objetos interagem um com o outro.

O que foi realmente emocionante e inesperado, no entanto, foi o que ocorreu onde as duas superfícies se tocaram: comprimiu o comprimento de onda das microondas por um fator de ~ 80 ou mais, um aumento sem precedentes.

Dois hemisférios de uva com três espaçamentos diferentes, depois de irradiados com micro-ondas, aquecem até uma temperatura específica, com o menor intervalo levando às temperaturas mais altas. A densidade de energia média no tempo é mais alta no espaço entre a lacuna mais estreita. ( Crédito : H. K. Khattak et al., PNAS, 2019)

Ao colocar papel térmico no espaço de ar fino entre essas duas uvas, eles puderam ver que tipo de gravura estava sendo depositada nesse papel. Em teoria, a resolução dessa gravação deve ser limitada pelo que chamamos de limite de difração das ondas eletromagnéticas: metade do tamanho do comprimento de onda total. Para as microondas encontradas em seu forno de microondas, isso corresponderia a cerca de 6,4 centímetros (2,5 polegadas) de comprimento: significativamente maior do que a própria uva.

Claro, a luz muda seu comprimento de onda quando você a passa por um meio, e um meio como água, um hidrogel ou o interior de uma uva também possui propriedades dielétricas diferentes do ar ou do vácuo. Mas de alguma forma, as gravuras tinham apenas ~ 1,5 milímetros (0,06 polegadas) de tamanho. Por causa dessa observação, os autores concluíram que as microondas estavam sendo comprimidas por um fator de mais de ~40 na interface entre os dois objetos.

Se for verdade, isso teria profundas implicações para a fotônica: permitir que os pesquisadores usem a luz para alcançar resoluções que excedem o limite de difração, algo que há muito se pensava impossível .

Duas fontes independentes só podem ser resolvidas pela luz de um determinado comprimento de onda se estiverem separadas por pelo menos metade do comprimento de onda da luz usada para fazer a observação. Em espaçamentos abaixo disso (à direita), não é mais possível resolvê-los em fontes independentes. ( Crédito : Wikimedia Commons/Spencer Blevin)

Mas isso está correto? Uma coisa é propor uma teoria que explique com sucesso o que você vê em uma circunstância. Embora quando essa explicação resulte em uma previsão considerada impossível, você não pode simplesmente aceitá-la pelo valor nominal. É absolutamente vital realizar esse teste crítico e ver se o que está previsto é o que ocorre.

Alternativamente, no entanto, você pode testar as suposições subjacentes, que é exatamente o que a equipe de pesquisa de M. S. Lin e seus colaboradores fizeram em outubro de 2021 no Acesso Aberto Diário Física dos Plasmas.

Em vez de um acúmulo de pontos quentes devido à ressonância, a equipe levantou a hipótese de um mecanismo alternativo: um acúmulo do campo elétrico no pequeno espaço entre as duas esferas líquidas, como uvas ou hidrogéis. Eles visualizam as duas esferas como dipolos elétricos, onde cargas elétricas iguais e opostas se acumulam nos dois lados das esferas. Essa polarização resulta em um grande potencial elétrico no espaço entre as esferas e, quando fica grande o suficiente, uma faísca simplesmente salta o espaço: um fenômeno puramente elétrico. Na verdade, se você já virou a manivela em um Máquina de Wimshurst , exatamente o mesmo fenômeno causa as faíscas ali: excedendo a tensão de ruptura do ar que separa as duas esferas.

Quando uma máquina de Wimshurst é ativada, ela faz com que duas esferas condutoras se carreguem com cargas opostas. Quando um limiar crítico de tensão é ultrapassado, uma faísca salta a lacuna, levando a uma quebra de tensão e uma troca de cargas elétricas. ( Crédito : Moses Nachman Newman, cca-4.0 int'l)

Isso é interessante, pois um acúmulo de carga elétrica e uma troca de energia elétrica por meio de uma descarga também podem causar um aquecimento rápido e localizado. Em outras palavras, a explicação proposta pelo estudo anterior, de um hotspot eletromagnético, não é o único jogo na cidade. Em vez disso, um hotspot elétrico poderia facilmente ser o culpado. Nesta explicação mais recente, há o benefício adicional de que nenhum desafio ao limite de difração precisa ser hipotetizado. Se a centelha é de natureza elétrica em vez de eletromagnética - o que significa que é baseada na transferência de elétrons e não no acúmulo ressonante de luz -, todo o experimento não tem nada a ver com o limite de difração.

A chave, é claro, é descobrir qual teste crítico realizar para determinar qual dessas duas explicações melhor explica o fenômeno que estamos investigando. Felizmente, há um teste muito simples que podemos realizar. Se houver pontos quentes eletromagnéticos se formando nas superfícies das duas esferas, isso gerará um aumento da pressão de radiação entre elas, fazendo com que elas se repelam. No entanto, se estes forem pontos quentes elétricos produzidos pelo acúmulo de cargas opostas em qualquer esfera através da lacuna, haverá uma força elétrica atrativa.

A diferença entre um fenômeno puramente elétrico (esquerda) e um fenômeno puramente eletromagnético (direita) para a origem das faíscas de plasma entre duas uvas no microondas. Uma segunda esfera, alinhada com a primeira, polarizará de forma semelhante e criará uma quebra de tensão se sua natureza for elétrica, no entanto, eles criarão campos eletromagnéticos fora da esfera que farão com que as duas esferas se repelam se for de natureza eletromagnética (direita). ( Crédito : EM. Lin et al., Física de Plasmas, 2021)

Parece bem simples, então, certo? Tudo o que temos a fazer, se quisermos descartar uma dessas duas explicações possíveis, é fazer com que essas duas esferas comecem a uma distância muito pequena e depois apliquem as micro-ondas.

1. Se a explicação do hotspot elétrico estiver correta, isso significa que um campo elétrico está causando a polarização de ambas as esferas. Se as esferas estiverem alinhadas ao longo da direção do campo elétrico, haverá uma grande tensão gerada entre elas, seguida pelas duas esferas se aproximando, seguida por faíscas e uma ruptura do plasma. Se as esferas estiverem alinhadas perpendicularmente ao campo elétrico, no entanto, não deve haver efeito líquido.
2. Se a explicação do hotspot eletromagnético estiver correta, isso significa que haverá mudanças nos campos eletromagnéticos dentro e fora da gota de água, e as duas gotículas devem desenvolver hotspots, repelir e acender, independentemente de como estão orientadas dentro do micro-ondas.

Isto é o que idealmente queremos: uma maneira de diferenciar os dois cenários. Tudo o que precisamos fazer, se quisermos invalidar (pelo menos) um deles, é fazer os experimentos nós mesmos.

Como mostrado nesta vista de seis painéis, quando duas esferas estão alinhadas com o campo elétrico entre as duas placas paralelas de um capacitor, elas aquecem, principalmente no espaço entre as esferas. No entanto, quando estão orientados perpendicularmente ao campo elétrico, esse aquecimento não ocorre. ( Crédito : EM. Lin et al., Física de Plasmas, 2021)

O primeiro experimento realizado foi uma simples prova de conceito da ideia do hotspot elétrico. Em vez de usar uma cavidade de micro-ondas, os pesquisadores começaram com um capacitor de placas paralelas: uma configuração elétrica em que um lado é carregado com cargas positivas e o lado oposto é carregado com uma quantidade igual de cargas negativas. Eles alinharam as duas esferas dentro do capacitor em duas configurações diferentes, uma onde as esferas eram paralelas ao campo e outra onde eram perpendiculares.

Assim como você esperava, as esferas alinhadas na direção do campo elétrico polarizaram, atraíram e aqueceram rapidamente, enquanto as alinhadas perpendicularmente ao campo elétrico não se moveram nem aqueceram. O passo seguinte foi o mais crítico: submeter as duas esferas à radiação de micro-ondas e medir, com fotografia de alta velocidade e com grande precisão, se seu movimento inicial seria de aproximação ou afastamento. Se for atraente, isso apóia a ideia de hotspot elétrico, enquanto se for repulsivo, apoiaria a ideia de hotspot eletromagnético.

Como o vídeo acima demonstra claramente, essas duas esferas do tamanho de uma uva, movidas por radiação de micro-ondas e um potencial elétrico, inicialmente separadas por apenas 1,5 milímetros (cerca de 0,06 polegadas), são atraídas uma pela outra e se movem para que praticamente se toquem. Após (ou imediatamente antes) do contato, a energia é liberada, o que eventualmente leva à formação de um plasma, ionização e uma exibição visualmente impressionante.

No entanto, por mais espetacular que seja a liberação de energia e a exibição de plasma resultante, essa não é a parte cientificamente interessante; o ponto chave aqui é que as duas esferas se atraíram. De fato, os pesquisadores foram capazes de descartar a explicação do hotspot eletromagnético alterando a frequência das microondas por um fator de ~ 100 ou mais: se fosse uma ressonância, como o estudo anterior havia especulado, as faíscas apareceriam apenas por um determinado conjunto de comprimentos de onda. Mas o que foi visto experimentalmente foram faíscas presentes em todas as faixas de frequência.

Uvas, cerejas moídas e dímeros de hidrogel sem pele exibem faíscas de plasma na interface das duas esferas aquosas quando colocadas no microondas em um forno. Pelo menos, descargas elétricas, não hotspots eletromagnéticos, foram estabelecidas como a causa desse fenômeno. ( Crédito : A.D. Slepkov et al, Novel Optical Materials and Applications, 2018)

Embora as ressonâncias eletromagnéticas possam estar presentes, elas não são o fator determinante por trás da criação de faíscas e plasmas. Uma descarga elétrica do arco de ar é o responsável. Além disso, testando isso em baixas frequências (27 MHz) e altas frequências (2450 MHz), e vendo movimentos atrativos aproximadamente iguais, os pesquisadores conseguiram demonstrar que a ideia do hotspot eletromagnético, que deveria ser maximizada no último caso, poderia não geram nem mesmo a menor força repulsiva observável.

Ainda é muito divertido, mesmo que um pouco inseguro, colocar no microondas duas uvas a uma distância muito pequena e observar as faíscas voarem. Você está, de fato, gerando um plasma em seu micro-ondas, pois os elétrons estão sendo ionizados dos átomos e moléculas presentes na interface dessas duas esferas.

Mas por que isso está acontecendo? O que está causando essa reação fantástica?

Uma ideia anterior, de que pontos quentes eletromagnéticos estão se formando dentro dessas esferas à medida que agem como cavidades ressonantes, agora foi desfavorecida experimentalmente. Em vez disso, é simplesmente uma descarga elétrica que ocorre entre duas superfícies fortemente carregadas devido à sua polarização. Como costuma acontecer, a investigação científica revela diferentes aspectos de um problema específico, um de cada vez. Através do processo de investigação responsável, lentamente montamos uma imagem melhor da realidade que todos habitamos.

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