Explique como se dá a formação do plasma e sua relação com a capacidade de chegar a altas temperaturas.
Passo 1
O enunciado pede para explicar como se dá a formação do plasma e qual é a relação disso com a capacidade de atingir altas temperaturas. O conteúdo envolve ionização de átomos por aquecimento (energia cinética média
), grau de ionização e mecanismos de confinamento e aquecimento de partículas carregadas.
Passo 2
Quando um gás neutro é aquecido, a energia cinética média das partículas cresce proporcionalmente a
(com
constante de Boltzmann e
temperatura). À medida que
torna-se comparável à energia de ionização dos átomos (ordem de
–
,eV), colidir átomo-átomo pode arrancar elétrons, gerando íons positivos e elétrons livres. A partir desse ponto, formou-se um plasma.
Passo 3
O grau de ionização depende de
e da densidade
. Qualitativamente, pela equação de Saha, a fração
cresce exponencialmente com
. Para
K, a maior parte do gás fica ionizada, caracterizando um plasma quase totalmente ionizado.
Passo 4
No plasma há partículas carregadas em grande número, conferindo alta condutividade elétrica e resposta coletiva a campos elétricos e magnéticos. Surge um comprimento de blindagem (
, comprimento de Debye) e a condição de quase neutralidade mantém
.
Passo 5
Graças a essas cargas livres, é possível confinar o plasma por campos magnéticos (não há contato direto com paredes sólidas), evitando grandes perdas térmicas. Além disso, pode-se injetar energia via corrente elétrica (aquecimento resistivo), ondas eletromagnéticas (aquecimento por radiofrequência) ou feixe neutro, levando o plasma a
–
K, valores inacessíveis a gases neutros em contato com recipientes sólidos.
Passo 6
Em resumo, o plasma se forma quando a temperatura é alta o suficiente para ionizar átomos, e o estado plasmático, por ter partículas carregadas, permite métodos de confinamento e aquecimento eficientes que levam a temperaturas extremamente elevadas.
Resposta
O plasma surge ao aquecer um gás até que
supere a energia de ionização, arrancando elétrons dos átomos e criando um meio de íons e elétrons livres. Esse meio responde a campos magnéticos, pode ser confinado sem contato com paredes e recebe energia diretamente em partículas carregadas, o que possibilita alcançar temperaturas da ordem de milhões a centenas de milhões de graus.