Corte a plasma

por Robert Valdes - traduzido por HowStuffWorks Brasil

A indústria moderna depende da manipulação de metais e ligas pesados: precisamos dos metais para construir as ferramentas e os transportes necessários para as tarefas diárias. Por exemplo, guindastes, carros, arranha-céus, robôs e pontes suspensas são construídos com componentes de metal. O motivo é simples: os metais são extremamente fortes e duráveis e, por isso, são a escolha lógica para a maioria das coisas que precisam ser especialmente grandes, robustas, ou ambos.

O mais interessante é que a força do metal também é uma fraqueza: como o metal tem muita resistência a danos, ele é muito difícil de ser manipulado e modelado em peças especializadas. Então, como é possível cortar e manipular, com precisão, os metais necessários para construir estruturas como uma asa de avião? Na maioria dos casos, a resposta é o cortador a plasma. Pode parecer que estamos falando em ficção científica, mas o cortador a plasma é uma ferramenta que existe desde a Segunda Guerra Mundial.

Conceitualmente, o cortador a plasma é extremamente simples. Ele faz essa tarefa aproveitando um dos estados da matéria do Universo visível.

 Onde a serra falhou 

Na Segunda Guerra Mundial, as fábricas americanas fabricavam blindados, armamentos e aviões quase cinco vezes mais rápido que as forças do Eixo. Isso aconteceu graças às inovações da indústria privada na área de produção em massa.
Uma área de inovação surgiu da necessidade de cortar e juntar peças de aviões de forma mais eficiente. Muitas fábricas que trabalhavam com aviões militares adotaram um novo método de soldagem que envolvia o uso de um gás inerte alimentado por meio de um arco elétrico. A descoberta inovadora foi que carregando o gás com uma corrente elétrica, formava-se uma barreira ao redor da solda protegendo-a da oxidação. Este novo método contribuiu para linhas mais limpas nas junções e para construções mais robustas.

Nos anos 60, os engenheiros fizeram uma nova descoberta. Descobriram que podiam elevar as temperaturas, acelerando o fluxo do gás e encolhendo o furo de liberação. O novo sistema podia chegar a temperaturas mais altas do que outros soldadores comerciais. Na verdade, com essas temperaturas altas, a ferramenta não atuava mais como um soldador. Em vez disso, ela funcionava como uma serra, cortando metais duros como uma faca quente cortando manteiga.

Esta introdução do arco de plasma revolucionou a velocidade, precisão e tipos de cortes que os fabricantes podiam fazer em todos os tipos de metais. Na próxima seção, examinaremos a ciência por trás desse sistema
 

Estados da matéria
O cortador a plasma pode passar através de metais com pouca ou nenhuma resistência graças às propriedades únicas do plasma. Então, o que é o plasma?

Existem quatro estados da matéria no mundo. A maioria das coisas com as quais nos deparamos está na forma de sólidos, líquidos ou gases. Esses estados estão divididos com base no modo como as moléculas se comportam dentro deles. Vejamos a água como exemplo.
 

•Como um sólido, a água tem a forma do gelo. O gelo é feito de átomos eletricamente neutros, dispostos em um padrão hexagonal que forma um sólido. Como as moléculas permanecem imóveis em relação umas às outras, elas formam um sólido (algo que mantém o formato).
 

•Como um líquido, a água fica na forma bebível. As moléculas ainda estão ligadas entre si, mas se movem em relação uma às outras em velocidades baixas. O líquido tem volume fixo, mas não tem forma constante. Ele modifica a forma para se adaptar a qualquer recipiente que irá recebê-lo.

•Como um gás, a água tem a forma do vapor. No vapor, as moléculas se movimentam em altas velocidades, independentemente umas das outras. Como as moléculas não estão ligadas umas às outras, o gás não tem formato nem volume fixos.

A quantidade de calor (ou seja, a quantidade de energia) aplicada às moléculas da água determina seu comportamento e, portanto, seu estado. Simplificando: mais calor (mais energia) excita as moléculas até o ponto em que se libertam das ligações que as mantêm juntas. Com aquecimento mínimo, as moléculas ficam fortemente unidas e se tem um sólido. Com mais calor, as moléculas escapam das uniões rígidas e se tem o líquido. Com muito mais calor, as moléculas escapam das ligações livres e se tem o gás. O que acontece se você tiver que aquecer o gás ainda mais? É aí que temos o quarto estado: o plasma.

O que é o plasma?
Se você levar um gás a temperaturas extremamente altas, você obtém o plasma. A energia começa a romper as moléculas de gás e os átomos começam a quebrar. Átomos normais são feitos de prótons e nêutrons no núcleo (consulte Como funcionam os átomos), cercados por uma nuvem de elétrons. No plasma, os elétrons se separam do núcleo. Quando a energia do calor libera os elétrons do átomo, eles começam a se mover freneticamente. Eles são carregados negativamente e deixam para trás seus núcleos carregados positivamente. Estes núcleos carregados positivamente são conhecidos como íons. Quando os elétrons em alta velocidade colidem com outros elétrons e íons, liberam grandes quantidades de energia. É ela que dá ao plasma seu status único e seu inacreditável poder de corte.

Plasma em todos os lugares
Quase 99 % de toda a matéria do universo é plasma. Ele não é comum na Terra devido às suas temperaturas extremamente altas, mas em outros lugares como o Sol, ele impera. Na Terra, você pode encontrá-lo nos raios entre outros lugares.

Os cortadores a plasma não são os únicos dispositivos a aproveitar o poder do plasma. Letreiros ou sinalização de néon, lâmpadas fluorescentes e telas de plasma (somente para citar alguns usos), todas dependem do plasma para concretizar suas tarefas. Esses dispositivos usam o plasma "frio".

O interior de um cortador a plasma

Existem cortadores a plasma em todos os tamanhos e formatos. Há cortadores imensos que utilizam braços de robô para fazer incisões precisas. Existem também unidades portáteis compactas que podem ser encontradas em muitas lojas e no varejo. Independentemente do tamanho, todos os cortadores a plasma funcionam com o mesmo princípio e são construídos da mesma maneira.
Os cortadores a plasma funcionam com a movimentação de um gás pressurizado, do tipo nitrogênio, argônio ou oxigênio, por um pequeno canal. No centro deste canal, encontra-se um eletrodo carregado negativamente. Quando se aplica potência ao eletrodo negativo e se toca a ponta do bico no metal, a conexão cria um circuito. Uma poderosa faísca é gerada entre o eletrodo e o metal. À medida que o gás passa pelo canal, a faísca aquece o gás até ele chegar ao quarto estado da matéria. Esta reação cria um fluxo direcionado de plasma, aproximadamente a 16.649°C e movendo-se a 6.096 m/s, o que derrete o metal.

O plasma conduz a corrente elétrica. O ciclo da criação do arco é contínuo, desde que a potência seja suprida ao eletrodo e o plasma permaneça em contato com o metal que está sendo cortado. Para garantir este contato, proteger o corte contra oxidação e regular a natureza imprevisível do plasma, o bico do cortador possui um segundo conjunto de canais. Esses canais liberam um fluxo constante de gás de proteção em volta da área de corte. A pressão desse fluxo de gás controla eficientemente o raio do feixe de plasma.

Arte com plasma

No passado, os cortadores a plasma eram extremamente caros e usados principalmente para trabalhos de corte de metais gigantescos. Nos últimos anos, o custo e o tamanho dos cortadores a plasma diminuíram consideravelmente. Dessa forma, eles ficaram disponíveis para mais projetos pessoais. Os artistas e as pessoas que trabalham com metais usam cortadores portáteis para criar trabalhos de arte que nunca seriam possíveis com as ferramentas convencionais. Esta única ferramenta dá ao artista a capacidade de fazer cortes em ângulos diversos, fazer furos precisos e cortes das mais variadas formas.

O cortador a plasma é uma das mais interessantes e poderosas ferramentas desenvolvidas no século 20. Usando princípios básicos da física para aproveitar o quarto estado da matéria, ele executa o trabalho tendo resultados impressionantes. Já podemos imaginar, à medida que compreendemos melhor o plasma, quantas novas ferramentas e aplicações utilizarão esta fascinante força da natureza.