CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DO REATOR DE PLASMA FRIO

O plasma frio é formado através de descarga elétrica de alta tensão em fase gasosa sobre a superfície líquida. A formação da descarga ocorre após atingir uma diferença de potencial mínima (comumente chamada de tensão elétrica de ruptura do gás) conforme descrito pela Lei de Paschen.[1] _{A Lei de Paschen relaciona a tensão de ruptura de um gás com} o produto da sua pressão pela distância entre os eletrodos.[1] _Nesse contexto, surge o conceito de rigidez dielétrica do meio, a qual expressa o valor máximo de intensidade de campo elétrico suportável pelo meio sem que ocorra a ruptura; ou seja, a formação da descarga elétrica.[12]

A figura 17 apresenta os valores de tensão de ruptura para a formação da descarga elétrica para cada gás de trabalho utilizado (N2, O2 e Ar). Esses valores foram obtidos através dos perfis de corrente e tensão para as descargas elétricas com seus respectivos gases de alimentação, mostrados na figura 18.

Figura 17: Tensões de ruptura dos gases O2, N2 e Ar no reator de plasma

frio sob as mesmas condições experimentais.

Conforme apresentado, ainda na figura 17, o gás utilizado na formação do plasma (gás plasmogênico) influencia significativamente na tensão de ruptura para formação da descarga elétrica (8,6 - O2, 7,4 - N2, 2,4 - Ar), fato esse que se relaciona diretamente com a eletronegatividade do gás.[40] _{Mesmo com as camadas do octeto completas, os três gases se}

0 2 4 6 8 Ar N₂ Tensão de r uptu ra (k V) Gás O₂

diferem em termos de eletronegatividade segundo a ordem O2 > N2 > Ar.[13] _{Por serem moléculas eletronegativas, O}

2 e N2 requerem maiores tensões para formação da descarga elétrica por favorecerem reações de captura de elétrons (attachment reactions), dificultando assim a formação e propagação da descarga elétrica.[37,40]

Além do fator eletronegatividade, ambas as moléculas de O2 e N2 possibilitam a ocorrência de outras reações que consomem elétrons primários e que, consequentemente, dificultam a formação do canal condutivo inicial que dá origem à descarga elétrica; a exemplo das reações de dissociação que não ocorrem para o gás monoatômico argônio.[37] Diante disso, elétrons iniciais precursores da descarga elétrica (chamados de elétrons primários) apresentam menor “resistência” em atmosfera de argônio devido à menor eletronegatividade e ao maior favorecimento das reações de formação de novos elétrons (chamados de elétrons secundários) que dão origem à formação da descarga elétrica.

Figura 18: Perfis de corrente e tensão para a formação do plasma frio

utilizando O2, N2 e Ar como gases de trabalho.

Na figura 18, cada ponto do gráfico expressa um valor de corrente e tensão obtidos para cada valor de tensão primária aplicada no reator de plasma frio (valores de tensão primária são descritos ao lado de cada ponto). A circunferência em cada gráfico mostra a tensão de ruptura para cada gás plasmogênico.

Os três perfis apresentados (figura 18) mostram que antes da tensão de ruptura, o aumento da tensão aplicada sobre o reator provoca um aumento na corrente, a qual se mantém constante até a ruptura do dielétrico. Esse comportamento é similar à carga de um capacitor em que a tensão aplicada fica “armazenada” no reator como uma energia

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 10 15 20 25 30 35 250V 240V 220V 200V 180V 160V 150V 140V 120V 100V 80V 60V 20V O₂ N2 Cor ren te (m A) Tensão (kV) 0V 40V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 250V 240V 220V 200V 180V 160V 150V 140V 120V 100V 80V 60V 40V 20V 0V Cor ren te (m A) Tensão (kV) N2 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 160V 150V 200V 180V 250V 240V 220V 140V 120V 100V_{80V 60V} 40V 20V 0V Ar Cor ren te (m A) Tensão (kV)

potencial com alto valor de campo elétrico, e que se converte na descarga elétrica quando a tensão de ruptura é atingida, provocando assim a formação de um meio químico altamente reativo.[1,19,43] _{Até o momento} da tensão de ruptura não ocorre a formação de uma descarga elétrica visível, apesar de que em maiores valores de tensão se pode ver um princípio de descarga fracamente luminosa e pequena. Antes da tensão de ruptura, elétrons em pequena densidade circulam de um eletrodo em direção ao outro, conforme mostrado no oscilograma da figura 19.

Figura 19: Forma de onda para o plasma frio de N2 antes da tensão de

ruptura.

O oscilograma da figura 19 mostra as formas de onda de tensão e corrente do plasma antes do atingimento da tensão de ruptura, o qual mostra os picos de corrente (em azul) durante essa fase da descarga (o mesmo perfil ocorre para os gases O2 e Ar - dados não apresentados). Nessa fase, a tensão (em amarelo) ainda apresenta uma forma senoidal sem distorção. Fica evidente também que a corrente de elétrons é maior na fase positiva em relação à negativa. Isso ocorre por que é mais favorável a emissão de elétrons do eletrodo superior que é metálico e fino do que a superfície do líquido que contém o eletrodo terra.[12]

Após atingir a tensão de ruptura, um canal extremamente condutivo se formou entre o eletrodo ativo e a superfície da solução.

Nessa fase a descarga apresenta um ganho de corrente com simultânea redução de tensão do sistema (o que é uma característica do reator de plasma utilizado). A descarga elétrica se apresenta como um canal altamente condutivo como se fosse um metal e que favorece a passagem de corrente.[17] _{Naturalmente essa corrente deveria se elevar} infinitamente, similar a um curto-circuito. Isso, entretanto, não ocorre devido à enorme indutância elétrica da fonte de alimentação que limita a corrente no sistema. Essa indutância é característica da fonte de plasma utilizado. A figura 20 mostra a forma de onda de tensão e corrente após a tensão de ruptura.

Figura 20: Forma de onda para o plasma frio de N2 após a tensão de

ruptura ser atingida. O mesmo perfil ocorre para os gases O2 e Ar.

Como pode ser visto no oscilograma da figura 20, após a tensão de ruptura ser atingida, a forma de onda da corrente (em azul) passa a ter uma distorção significativa em relação à forma de onda mostrada na figura 19, o que é característico da transição que ocorre na descarga elétrica: de descarga “luminosa” antes da tensão de ruptura, para “faísca”, após a tensão de ruptura ser atingida.[44]

O oscilograma da figura 20 mostra que quando o valor máximo de tensão é atingido, a descarga é formada com um forte pico de intensidade. Conforme é característico do reator de plasma (figura 18), logo após o pico de corrente, o valor de tensão diminui e a descarga se extingue,

voltando ao regime anterior à tensão de ruptura. Na sequência, ao mudar de fase, o pico de corrente é bem menor (por ser mais difícil emitir elétrons da superfície da solução) e não aparece no oscilograma da figura 20 devido à ordem de escala da leitura. A figura 21 apresenta uma foto da descarga elétrica após a tensão de ruptura para o plasma frio de N2.

Figura 21: Descarga elétrica formada com o gás de N2 após a tensão de

ruptura.