A lâmpada fluorescente 
(Quantum e Plasma)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

O 'plasma' na lâmpada fluorescente
No interior de uma lâmpada fluorescente ocorrem fenômenos físicos muito interessantes. Aprendemos na escola que a matéria pode se apresentar em três estados físicos, a saber, sólido, liquido e gasoso. Entretanto, existe um quarto estado da matéria que ocorre quando ela se transforma numa mistura de íons e elétrons livres, justamente como no interior de uma lâmpada fluorescente acesa. Analisemos melhor este fenômeno partindo da ilustração abaixo.  

No interior de um tubo temos dois eletrodos e um gás sob baixa pressão. Se nos eletrodos for aplicada uma tensão suficientemente alta, acompanhada de uma componente de alta freqüência, os átomos do gás são excitados a ponto de perderem parte de seus elétrons. Temos então a formação de íons (átomos dotados de carga global positiva/negativa resultante da perda/captação de elétrons) e elétrons livres. A tendência dos elétrons é dirigirem-se em sentido ao eletrodo que esteja carregado positivamente, ou seja, o anodo, enquanto que os íons dotados de cargas positivas dirigem-se em sentido ao eletrodo carregado negativamente (denominado catodo).

Evidentemente, com a possibilidade de haver movimentação de cargas, o gás no interior do tubo se torna condutor.
A mobilidade de elétrons faz com que ocorram colisões entre elétrons e outros átomos do gás que tendem a liberar novos elétrons, formando assim novos pares elétrons/íons, mantendo o processo. Os elétrons e íons que, por outro lado, chegam aos eletrodos correspondentes, com o impacto conseguem liberar novas cargas.
O processo é cumulativo, ou seja, uma vez que um pequeno pulso libere alguns elétrons formando pares elétrons/íons, a liberação de novos pares ocorre de uma forma rápida "enchendo" todo o tubo de uma substância com características especiais. Essa substância, formada principalmente por elétrons livres e íons, é o que denominamos por "plasma".

No caso da lâmpada fluorescente, como detalharemos, o processo todo de formação de plasma e condução da corrente é acompanhado da emissão de radiação eletromagnética (luz, ultravioleta, raios X etc.). Assim, para que a lâmpada "funcione" é preciso que o gás no seu interior, assim como a própria tensão de alimentação, tenha algumas características especiais.

Podemos então explicar melhor o que ocorre, partindo de um circuito típico de uma lâmpada fluorescente comum, apresentado na ilustração abaixo.

O reator é um indutor de elevado valor que funciona em conjunto com o starter. O starter típico é formado por um capacitor em paralelo com uma pequena lâmpada a néon que leva em seu interior um interruptor de lâmina bimetálica. 

Quando estabelecemos a alimentação neste circuito o capacitor, em conjunto com o indutor, formam um circuito ressonante que é excitado pela abertura e fechamento do contato bimetálico do starter. Este circuito gera uma altíssima tensão que serve para ionizar os átomos no interior da lâmpada fluorescente dando assim inicio ao processo de acendimento.
Ao mesmo tempo, a corrente que circula pelo reator e pelo starter também passa pelos filamentos da lâmpada. A finalidade dos filamentos é facilitar a liberação de elétrons secundários quando os íons e elétrons do gás se chocarem contra eles, aumentando assim a quantidade de pares elétrons/íons e com isso a condução da lâmpada.
Quando a quantidade de elétrons/íons no gás se torna suficientemente grande para que uma corrente intensa se estabeleça pelo tubo, o starter é colocado fora de ação pois, a tensão passa a ser insuficiente para ionizar o gás de seu interior (repare o 'circuito paralelo' lâmpada/starter). Nestas condições, ele "abre" e toda a corrente que circula pela lâmpada é suficiente para mantê-la em condução, com uma elevada ionização. Os próprios filamentos (que funcionam como anodo e catodo) não precisam mais ser aquecidos pela corrente para liberarem pares adicionais elétrons/íons sendo "desligados" no processo de desativação do starter.

Todo starter para lâmpadas fluorescentes tem no interior uma lâmina bimetálica e uma pequena quantidade de gás néon. Quando se aplica os iniciais 110V a condução gasosa pelo néon inicia (a tensão mínima de ionização do néon é cerca de 80V); essa corrente passando pelo bimetal o aquece (efeito Joule), ele enverga e encosta no outro terminal, fechando o circuito para o filamento da lâmpada fluorescente. O filamento vai ao rubro, emitindo elétrons (efeito Edson). Quando o bimetal esfria ele abre os contatos dentro do starter e nessa fase ocorre a auto-indução no reator elevando a tensão para cerca de 450V e, com isso, iniciando a ignição da lâmpada. Com a corrente principal estabelecida, a tensão entre terminais da lâmpada fluorescente e starter (circuito paralelo) cai abaixo dos 80V. A lâmpada permanece acesa mas, o néon do starter não conduz, o filamento permanece desligado.

Veja que a abertura e o fechamento do starter no momento do acendimento não é só importante para gerar a tensão elevada que dá inicio ao processo de ionização. Para que este processo ocorra é preciso haver também uma certa componente de alta freqüência; dai o fato dos sistemas de iluminação fluorescente gerarem um bom ruído neste momento.

A emissão da radiação ocorre em função do tipo de gás que existe no interior do tubo, de sua pressão e, também, de outros fatores secundários (como a temperatura, a presença de campos magnéticos etc.). Para as lâmpadas comuns, temos uma mistura de alguns gases nobres como o neônio, argônio, hélio etc.) sob pressão levemente inferior à atmosférica.
Com o tempo, por deficiências naturais de vedação, o ar pode entrar e, com isso, a alteração da pressão fará com que, cada vez mais, torne-se difícil ocorrer a ionização com a tensão disponível. Isso explica porque as lâmpadas velhas piscam, piscam e não acendem.

No entanto, se quisermos luz para iluminar um ambiente, precisamos converter esta radiação para a gama visível do espectro eletromagnético. Isso se consegue através do revestimento da parede interna do tubo com um ‘pó’ que, ao ser excitado pela radiação ultravioleta passa a emitir luz branca.

A “cor da lâmpada fluorescente”, portanto, ‘não vem lá de dentro’ e é sim, determinada pela composição química desse ‘pó’. Uma crença comum entre as pessoas é que esse gás do interior dessas lâmpadas é venenoso e que por isso o ferimento provocado pelo seu vidro demora a cicatrizar. O perigoso, em caso de um corte, é justamente o pó que reveste o vidro do tubo.

 Lâmpadas fluorescentes e os quanta

Essa inserção a respeito do ‘quantum’ originou-se de uma pergunta feita ao autor, numa lista de discussão na WWW. Dada a importância (e o interesse) para o nível médio, como divulgação, vamos a uma introdução.

Introdução
O mundo dos átomos está cheio de coisas inesperadas. Quando tentamos penetrar na estrutura interna do átomo, observamos coisas estranhas que parecem contraditórias porque são muito diferentes de nossas experiências com a matéria comum em larga escala. Elas também não fazem sentido com nossas idéias habituais sobre partículas e seu comportamento. Estamos conscientes de que alguma coisa nova e incomum deve ser descoberta se desejarmos explicar os fatos da natureza observados ao nosso redor.

Para quem já iniciou seus estudos da Teoria Atômica, chamamos a atenção para as sérias contradições que afligem o estudo da estrutura do átomo, conforme seu professor já deve ter destacado. Por um lado, deve ter dito ele, o átomo revelou-se como um ‘pequeno sistema planetário’ com elétrons circulando em torno do núcleo; por outro lado, salientou, encontramos uma estabilidade e uma série de propriedades características completamente estranhas a um sistema planetário. 

Nessa breve divulgação, vamos começar por dar uma descrição mais detalhada de outras observações não usuais a respeito dos átomos e das partículas atômicas, e esperamos, com isso, abrir caminho até os novos fenômenos que governam o interior dos átomos. Não apresentaremos relato histórico. Infelizmente, no estágio atual de desenvolvimento da ciência, é raro que uma descoberta seja feita no momento em que poderia ser mais útil para nossa compreensão dos fatos; em geral ela só é realizada depois que o desenvolvimento tecnológico já criou os meios de se efetuar as medidas necessárias.

Neste texto, destacaremos apenas um conjunto de observações sobre as novas descobertas, dos três que revelam características estranhas e incomuns do mundo atômico. Esse primeiro conjunto engloba as descobertas dos estados quânticos do átomo (o segundo diz respeito à natureza quântica da luz, e o terceiro, às propriedades ondulatórias das partículas materiais).

Estados quânticos do átomo
Em 1913, James Franck e Gustav Hertz realizaram uma série de experiências nas quais tentaram modificar as órbitas planetárias dos elétrons no átomo. Eles raciocinaram da seguinte maneira: o átomo parece resistir a qualquer modificação das órbitas eletrônicas; tentemos modificar "à força" essas órbitas para vermos de que maneira e até que ponto o átomo pode resistir. Uma hipótese aceitável, no modelo do sistema planetário, leva a crer que as órbitas dos planetas sejam modificadas se uma estrela passasse perto de nosso sistema solar. Franck e Hertz planejaram uma experiência que corresponderia, no mundo atômico, a um cataclismo solar daquele tipo. 

Em termos simples, a experiência foi a seguinte: temos um recipiente cheio com um gás de átomos - por exemplo, átomos de sódio ou hidrogênio. Fazemos passar através do gás um feixe estreito de elétrons. Como os elétrons exercem intensa ação elétrica uns sobre os outros, esperamos que um feixe de elétrons que passe perto de um átomo exerça uma influência sobre os elétrons orbitais do átomo e modifique suas órbitas, da mesma maneira que a estrela modificaria a órbita da terra.

Não podemos olhar diretamente as órbitas eletrônicas para verificar se foram modificadas, mas podemos descobrir indiretamente o que aconteceu. Fazemos com que todos os elétrons do feixe tenham exatamente a mesma velocidade quando penetram no gás. Qualquer modificação que os elétrons produzam nos átomos estará associada com uma modificação na sua própria velocidade. Essa previsão é conseqüência da lei da conservação da energia. É necessário energia para alterar a órbita de um elétron num átomo; portanto, se a órbita for modificada por um elétron que passa por perto, esse elétron deverá perder alguma energia. Velocidade é energia; portanto, a velocidade do elétron será reduzida e essa redução pode ser observada quando o feixe sai do outro lado do recipiente que contém o gás. O mesmo aconteceria se uma estrela passasse pelo nosso sistema solar. Sua passagem daria um empurrão na Terra, aumentando a energia da Terra e diminuindo a energia da estrela.

O que deveríamos esperar, baseado no ‘modelo planetário'? 
Haveria todos os tipos de modificações de órbitas, pequenos e grandes, dependendo de quão próximo do átomo houvesse passado o elétron. Deveríamos esperar todos os valores de perdas de energia (ou, às vezes, ganho) a partir de zero; a perda média deveria ser menor quando o feixe atravessasse um gás mais rarefeito, pois, nesse caso haveria menor número de passagens próximas a átomos.
Entretanto, os fatos observados foram completamente diferentes. Quando a energia dos elétrons era menor do que um certo mínimo, não se observava variação alguma na velocidade. Essa energia mínima era bastante alta --- mais que cem vezes maior do que a energia térmica de elétrons em temperaturas habituais. Quando a energia era maior do que esse mínimo, os elétrons perdiam certas quantidades especificas de energia ou nenhuma energia. Essas quantidades específicas e também a energia mínima são características do tipo de átomo do gás; não dependem da densidade do gás nem de nenhuma outra circunstância externa. 

O que pode significar esse estranho resultado?
Ele nos diz que não podemos modificar as órbitas dos elétrons no átomo de maneira arbitrária. Ou elas não mudam, ou sofrem alterações especificas e bastante grandes de energia. Nesse ponto, entra o conceito de "quantum" de energia. A energia pode ser fornecida a um átomo apenas em "quanta'' característicos - nem mais, nem menos.
'Tudo se passa' como se o átomo aceitasse energia apenas em bocados predeterminados. Não aceita uma pequena porção, mas apenas o bocado completo. Cada átomo só pode aceitar bocados de energia característicos. Se oferecermos menos, o átomo absolutamente não reage . Reage (muda o seu estado) apenas se lhe oferecemos a quantidade necessária.

Essa situação é, certamente, estranha a nossa imagem de um sistema planetário. Uma estrela que passe pode fornecer qualquer quantidade de energia à Terra. Quanto maior for a distância de passagem, menor será a quantidade de energia transferida. Mas o resultado dessa experiência não é tão surpreendente em vista do que já sabemos acerca do átomo. Ele mostra que o estado do átomo tem uma estabilidade intrínseca. Impactos fracos não podem modificá-lo; para consegui-lo é preciso uma grande quantidade de energia. Deve haver alguma coisa que conserva o átomo em seu estado normal característico, e essa alguma coisa só pode ser vencida por grandes energias.

 
Esse fato não poderia estar relacionado com o fenômeno que dá origem à especificidade dos átomos e que força sempre os elétrons para a configuração característica de cada tipo especial de átomo?
Nesse ponto, precisamos ser mais quantitativos. 
Qual é a energia mínima necessária para modificar o estado de um átomo'? 
Façamos, agora, uma pequena pausa na discussão, para saber como são expressas as energias nos problemas atômicos. Medimos a energia de partículas atômicas com uma unidade chamada "elétron-volt", símbolo "eV". Definição do elétron-volt: é a quantidade de energia que um elétron (devido à sua carga elétrica) recebe/cede ao passar de um ponto a outro, cuja diferença de potencial elétrico é de 1 volt (U = 1V). Essa unidade substitui o "joule" (J) nas interações atômicas. Vamos dar um pincelada nisso, em forma de perguntas (P) e respostas (R).

P: De onde vem a energia elétrica?
R: A energia elétrica decorre da separação de cargas elétricas num sistema. Visualize um sistema formado por dois lápis de cor, um vermelho eletrizado positivamente e um azul eletrizado negativamente. Devido à natural atração das cargas positivas e negativas, esse sistema de dois lápis eletrizados terá energia elétrica mínima quando estiverem juntos (estado natural --- energia potencial elétrica nula). Para separar esses lápis, deve-se aplicar forças que contrariem essa atração elétrica. O trabalho realizado por essas forças externas ao sistema será a medida da quantidade de energia potencial elétrica que eles lápis apresentarão quando separados. Então, lápis eletrizados juntos = sistema isento de energia potencial elétrica; lápis eletrizados separados = sistema dotado de energia potencial elétrica. Esses dois lápis separados têm agora algo que não apresentavam quando eletrizados e juntos. Cada lápis apresentará uma energia potencial elétrica em relação ao outro. Se referenciarmos um deles como 'energia zero' ou outro armazenará, graças à sua carga elétrica, um certo 'tanto' de energia potencial elétrica. Esse 'tanto' de energia elétrica, por unidade de carga, caracterizará a tensão elétrica ou diferença de potencial entre eles.

P: Como medir essa tensão elétrica?
R: Vamos exemplificar usando, de início, de uma bateria de automóvel. Uma bateria armazena energia potencial química, ou seja, os componentes da solução estão 'fora de seu estado natural'. Dizer que entre os terminais dessa bateria existe uma tensão elétrica de 12V é o mesmo que dizer que, cada 'coulomb' (1C) de carga elétrica, para passar de um terminal a outro, deve receber/ceder 12 joules de energia elétrica. Se ele passar 'por dentro' da bateria, ele recebe esses 12 J (e a energia química da bateria diminui de 12J) e se ele passar via circuito externo, cede 12J (para os elementos que participam do circuito externo). Na tomada de sua casa a tensão elétrica entre os dois 'furos' (terminais) é de 110V (nominal). Esses terminais, no fundo, traduzem os terminais do gerador eletromecânico que abastece sua casa com energia elétrica. Se você liga um aquecedor elétrico nessa tomado, cargas começarão a 'circular' pelo circuito todo, de modo que, cada coulomb de carga que passa pelo gerador, recebe 110J de energia elétrica e cada coulomb de carga que passa pelo aquecedor cede 110J de energia (o aquecedor transformará esses 110J de energia elétrica em térmica). Se, em lugar de 1 coulomb de carga tomarmos, por unidade, o valor absoluto da carga do elétron, a energia trocada com a bateria passaria a ser de 12eV e a trocada com a tomada de 110eV. 
Nesse último caso, os elétrons sairiam do terminal positivo do gerador, passariam por dentro dele, e sairiam do terminal negativo com a energia de 110eV; em continuação, sairiam desse terminal negativo da tomada, passariam pelo aquecedor, entregando a ele os 110eV e retornando ao terminal positivo.
A tensão elétrica ou d.d.p. indica, portanto, quanto de energia elétrica a unidade de carga recebe ou cede ao passar de um ponto a outro.

O elétron-volt (1eV) é a unidade de energia potencial elétrica quando se toma como unidade de carga o valor absoluto da carga do elétron (|e|) e da unidade de tensão, 1 volt (1V), como sendo a diferença de potencial entre os dois pontos considerados. [ 1eV = 1|e|.1V ]. Como exercício, relacione as unidades joule e eV.

Os elétrons não saltam de um terminal da tomada para o outro devido ao meio (ar) ser um mau condutor de corrente elétrica mas, se aproximarmos suficientemente um terminal do outro, os elétrons vencerão essa dificuldade, saltando. Observamos esse fenômeno sob a forma de uma faísca.

O elétron-volt é uma unidade de energia conveniente para nossos problemas. Por exemplo, no ar, á temperatura ambiente, as moléculas voam em todas as direções com energia cinética média de 1/30 de elétron-volt. Essa é a energia média por átomo de qualquer tipo para o movimento térmico á temperatura ambiente; é, por exemplo, a energia das oscilações térmicas irregulares que os átomos efetuam num pedaço de metal, aquelas que causam a fusão a temperaturas mais elevadas, quando as forças que mantêm os átomos no lugar são sobrepujadas.

Voltemos agora às experiências de Franck e Hertz, nas quais energia é transmitida a átomos por meio de um feixe de elétrons. Verificou-se que a energia limiar de um átomo de sódio --- isto é, a energia mínima que ele é capaz de receber e adicionar ao seu conteúdo de energia --- é de 2,1 elétron-volts; no átomo de hidrogênio, essa energia mínima chega a 10 elétron-volts. São energias muito mais altas do que as energias do movimento térmico à temperatura ambiente. Imediatamente ligamos esse fato àquele outro de que os átomos de um gás á temperatura ambiente conservam sua identidade e não são modificados apesar das muitas colisões sofridas. A energia dessas colisões está bem abaixo da energia limiar, isto é, abaixo do menor quantum de energia que o átomo pode aceitar. Portanto, as experiências de Franck-Hertz mostraram, à sua maneira, a surpreendente estabilidade dos átomos, dando a ela um aspecto quantitativo. O átomo permanece inalterado e estável enquanto os impactos recebidos são menos energéticos do que uma energia limiar bem definida, e essa energia tem um valor característico para cada elemento. Sem dúvida, Franck e Hertz "mediram" a estabilidade atômica.
Os resultados das experiências de Franck.Hertz. vão ainda além. 
Elas nos informam não apenas da quantidade mínima de energia que os átomos aceitam, mas nos dão a série completa de valores específicos da energia que o átomo é capaz de aceitar. Apenas esses valores podem ser fornecidos ao átomo; ele rejeita qualquer coisa que fique entre esses valores. 

Ao que parece, todos os outros estados situados entre esses são proibidos. Os estados permitidos são chamados estados quânticos. O estado de mais baixa energia é o estado fundamental; é nesse estado que o átomo está geralmente; os outros são chamados estados excitados. A energia limiar é a diferença entre a energia do primeiro estado excitado e o estado fundamental. Esses estados foram destacados para o plasma da lâmpada fluorescente no texto inicial.
Estes fatos estão em contraste agudo com o que esperamos a partir do comportamento do modelo planetário. 

Por que a energia dos elétrons dentro do átomo seria quantizada? 
O que nos impede de acrescentar uma quantidade arbitrariamente pequena de energia a um átomo? 
Se compararmos a energia de um átomo a uma conta bancária, tudo se passa como se o banco só permitisse a retirada e o depósito de determinadas quantias, de maneira a manter a conta em certos valores predeterminados.

Consideremos agora mais detalhadamente os diferentes estados quânticos. Em geral designamos a série de valores permitidos para a energia como o "espectro" do átomo. O espectros da ilustração acima (para o hidrogênio), assim como outros (não ilustrados), revelam uma propriedade geral muito importante dos estados quânticos:quanto mais alto é o valor da energia acima do estado fundamental, menor é o intervalo entre os estados quânticos (repare isso, na ilustração). Essa é uma propriedade observada em todos os sistemas atômicos; para grandes energias de excitação, os estados quânticos tornam-se tão próximos uns dos outros que praticamente se confundem. Para energias elevadas, os efeitos quânticos desaparecem. O átomo pode ser, então, afetado por qualquer quantidade de energia, como um sistema planetário comum o seria. Tudo se passa como se as estranhas regras a respeito da conta bancária fossem abandonadas para contas muito altas, pois os depósitos e retiradas permitidos tornam-se cada vez menores para grandes contas.
Verificou-se que esse fato é de importância muito mais fundamental do que parece. Atualmente sabemos que, se introduzimos grandes energias nos átomos, eles se comportam como sistemas planetários. Essas condições podem ser realizadas em temperaturas extremamente altas, que podem ser produzidas por meio de fortes descargas elétricas em gases. Nessas condições, o gás forma o chamado "plasma",(e voltamos à lâmpada fluorescente) e os átomos perdem suas propriedades características. Um plasma de neônio gasoso, no qual cada átomo tem 10 elétrons, tem as mesmas propriedades que um plasma de sódio gasoso, no qual cada átomo tem 11 elétrons.
Não há mais órbitas eletrônicas selecionadas; não há mais radiação característica. Reina o caos no plasma; é um caos de temperaturas extremamente elevadas, raramente encontrado na Terra, exceto quando produzido em nossos laboratórios. Entretanto, no espaço cósmico, esse estado é encontrado nos gases expelidos pelo Sol e por outras estrelas quentes. 

No plasma, desaparecem todas as características de ordem pelas quais distinguimos um átomo de outro. À ordem e a diferenciação ocorrem apenas quando os átomos estão em seus estados de baixa energia, os quais estão afastados uns dos outros na escala de energia. Nesses estados (baixa energia), encontramos a estabilidade que conduz a formas e órbitas especificas e, conseqüentemente, a propriedades químicas e físicas especificas. Para energias elevadas, todas essas características desaparecem. Tenhamos presentes, entretanto, que foram as propriedades características de 'baixas' energias que definiram nossas concepções. O comportamento caótico dos átomos em energias elevadas é exatamente o que esperaríamos de um modelo planetário, isto é, de sistemas planetários colidindo uns com os outros em altas velocidades.

 NOTA: O nome "plasma" não tem nada a ver com o plasma sanguíneo, ou com a matéria viva da célula. A expressão deriva do fato de que as primeiras realizações de um plasma atômico em um tubo de descarga assemelhavam-se ao plasma biológico.