Qué es el plasma – Estado plasmático

En física y química, qué es el plasma es un estado de la materia en el que prácticamente todos los átomos están ionizados y con la presencia de una cierta cantidad de electrones libres, no ligados a ningún átomo o molécula. Es un fluido, formado por electrones, e iones positivos. Esto hace que el plasma sea conductor eléctrico y que responda fuertemente a los campos electromagnéticos. El plasma presenta unas propiedades diferentes de las de los sólidos, líquidos y gases, por lo que es considerado como otro estado de la materia. Puede presentarse de diferentes maneras: como nubes gaseosos neutros, como se observa en caso de las estrellas; en forma de gas, el plasma no tiene una forma o un volumen definidos, pero bajo la influencia de un campo magnético puede formar estructuras como rayos de iones o bien como suspensiones de partículas del orden del nanómetro o el micrómetro.

Una llama puede ser considerada como una forma de plasma parcial de baja temperatura.

Historia del plasma

La disciplina hoy denominada física del plasma nació de la convergencia entre dos líneas de investigación originadas en el siglo XIX. Por un lado, el estudio riguroso de las descargas eléctricas fue iniciado en Inglaterra por Michael Faraday y fue continuado después por Joseph John Thomson, William Crookes y Sealy Edward Townsend. El 1,923, Irving Langmuir observó que los gases ionizados presentes en una descarga respondían colectivamente a las perturbaciones externas. Esta calidad, análoga a la de los plasmas sanguíneos, le llevó a adoptar el término plasma para referirse a estos sistemas.

La otra columna sobre la que descansa la física del plasma proviene de los estudios sobre el comportamiento de fluidos conductores bajo la influencia de campos electromagnéticos. Esta disciplina, dicha magnetohidrodinàmica, fue desarrollada inicialmente por Faraday y André-Marie Ampère. En el siglo XX, la magnetohidrodinàmica permitió estudiar fenómenos observados en el Sol y en la ionosfera terrestre. Por ejemplo, las ondas magnetohidrodinámicas, hoy denominadas ondas de Alfvén en honor al físico sueco Hannes Alfvén, fueron introducidas por él mismo el 1942. Esta aportación fue premiada con el Premio Nobel de Física del 1970, único premio Nobel concedido hasta hoy por trabajos en la física del plasma.

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Después de la Segunda Guerra Mundial, el creciente interés en desarrollar reactores de fusión que proporcionaran una energía limpia, segura y barata alimentó un rápido avance de la física del plasma, esencial para entender el comportamiento de un gas a las altas temperaturas necesarias en el interior de tales dispositivos. A pesar del optimismo inicial, la fusión nuclear todavía no ha logrado cumplir sus promesas, principalmente debido a la existencia de inestabilidades antes desconocidas en el plasma. Sin embargo, la comunidad científica espera que el reactor termonuclear experimental internacional (ITER) consiga eliminar tales inestabilidades y opere en condiciones energéticamente rentables de fusión.

Actualmente, la física del plasma es una disciplina madura y extensa. Sus herramientas son imprescindibles en la investigación astrofísica y geofísica; sus aplicaciones tienen una gran importancia económica y van desde la fusión nuclear mencionada hasta el tratamiento de materiales mediante descargas eléctricas. Otros usos industriales son el grabado de circuitos electrónicos y la purificación de emisiones contaminantes.

Ejemplos de plasma

Los plasmas forman el estado de agregación más abundante de la naturaleza. De hecho, la mayor parte de la materia en el universo visible se encuentra en estado de plasma. Algunos ejemplos de plasmas son:

  • Producidos artificialmente:
    • En el interior de un tubo fluorescente (iluminación de bajo consumo).
    • Materia expulsada por la propulsión de cohetes.
    • La región que rodea el escudo térmico de una nave espacial durante su entrada en la atmósfera.
    • El interior de un reactor de fusión.
    • Las descargas eléctricas de uso industrial.
    • Las bolas de plasma.
  • Plasmas terrestres:
    • El fuego.
    • Los rayos durante una tormenta.
    • La ionosfera.
    • La aurora boreal.
  • Plasmas espaciales y astrofísicos:
    • Las estrellas (por ejemplo, el Sol).
    • El viento solar.
    • El medio interplanetario (la materia existente entre los planetas del sistema solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias).
    • Los discos de acreción.
    • Las nebulosas intergalácticas.
    • Ambiplasma.

Propiedades y parámetros del plasma

Definición de plasma

Aunque un plasma se describe como un medio eléctricamente neutro de partículas positivas y negativas, una definición más rigurosa puede tener tres criterios:

  1. La proximidad del plasma: las partículas cargadas deben ser lo suficientemente cercanas, de modo que cada partícula influya en muchas partículas cargadas cercanas, más que sólo interaccionando con la partícula más cercana (estos efectos colectivos son un rasgo que distingue un plasma ). La proximidad del plasma es válida cuando el número de portadores de carga dentro de la esfera de influencia (llamada la esfera Debye, cuyo radio es la longitud de Debye) de una partícula particular es más alto que la unidad para proporcionar comportamiento colectivo de las partículas cargadas. El número medio de partículas en la esfera Debye viene dado por el parámetro del plasma, “Λ” (la letra griega lambda).
  2. Interacciones de volumen: la longitud de Debye (definida antes) se compara de forma resumida con el tamaño físico del plasma. Este criterio significa que las interacciones del volumen del plasma sean más importantes que en sus bordes, donde pueden tener lugar los efectos de frontera. Cuando este criterio se satisface, el plasma es casi neutro.
  3. Frecuencia del plasma: la frecuencia de los electrones del plasma (midiendo las oscilaciones del plasma de los electrones) se compara con la frecuencia de colisión de electrón-neutro (midiendo la frecuencia de colisiones entre electrones y partículas neutras). Cuando esta condición es válida, las interacciones electrostáticas dominan sobre los procesos corrientes de cinética de gases.

Variabilidad de los parámetros del plasma

Los parámetros de los plasmas pueden tomar valores que varían en muchos órdenes de magnitud, pero las propiedades de plasmas con parámetros aparentemente dispares pueden ser muy similares. La siguiente tabla considera sólo plasmas atómicos convencionales y no fenómenos exóticos como el plasma de quarks y gluones:

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Grado de ionización

Porque el plasma exista, es necesario que haya ionización. El término densidad de plasma por sí mismo normalmente se refiere a la “densidad de electrones”, es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen. El grado de ionización de un plasma es la proporción de átomos que han perdido (o ganado) electrones, y es controlado principalmente por la temperatura. Incluso, un gas parcialmente ionizado en que sólo se ioniza un 1% de las partículas puede tener las características de un plasma (es decir, que responda a campos magnéticos y sea altamente conductor de la corriente). El grado de ionización α se define como = α = n y / (n y + n a), en la que n y es la densidad del número de iones y n a es la densidad de número de átomos neutros. La densidad de electrones está relacionada con esto por el estado de carga medio de los iones a través de en que n y es la densidad del número de electrones.\ left \ langle Z \ right \ ranglen_e = \ left \ langle Z \ right \ rangle n_i

Temperaturas

La temperatura del plasma se mide comúnmente en kelvins o electronvoltios, y es una medida informal de la energía cinética térmica por partícula. En la mayoría de los casos, los electrones son lo suficientemente cerca del equilibrio térmico ya que su temperatura está relativamente bien definida, incluso cuando hay una desviación significativa de una función de distribución de energía de Maxwell-Boltzmann, por ejemplo debido a la radiación ultravioleta de partículas energéticas, o de fuertes campos eléctricos. Debido a la gran diferencia en masa, los electrones llegan al equilibrio termodinámico entre sí mismos mucho más rápido que con los iones o con átomos neutros. Por esta razón, la “temperatura de los iones” puede ser muy diferente (normalmente más baja) que la “temperatura de los electrones”. Esto es especialmente común en plasmas tecnológicos débilmente ionizados, en el que los iones son a menudo cerca de la temperatura ambiente.

Basándose en las temperaturas relativas de los electrones, los iones y los átomos neutros, los plasmas se clasifican en “térmicos” o “no térmicos”. Los plasmas térmicos tienen los electrones y las partículas pesadas a la misma temperatura, es decir, están en el equilibrio térmico los unos con los otros. Los plasmas no térmicos, por otra parte, tienen los iones y los átomos neutros a una temperatura mucho más baja (normalmente, a temperatura ambiente), mientras que los electrones están mucho más “calientes”.

La temperatura controla el grado de ionización del plasma. En particular, la ionización del plasma está determinada por la “temperatura de los electrones” relativa a la energía de ionización (y más débilmente por la densidad) en una relación llamada la ecuación Saha. A veces, se dice que un plasma está “caliente” si es casi completamente ionizado, o “frío” si sólo una fracción pequeña (por ejemplo, un 1%) de las moléculas de gas están ionizadas (pero hay otras definiciones comunes de los términos “plasma caliente” y “plasma frío”). Incluso, en un plasma “frío”, la temperatura de los electrones aún es típicamente de unos cuantos miles de grados Celsius. Los plasmas que se utilizan en la “tecnología de plasma” (“plasmas tecnológicos”) son normalmente fríos en este sentido.

Potenciales

Ya que los plasmas son muy buenos conductores, los potenciales eléctricos tienen un papel importante. El potencial como tal existe en promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de la cuestión de cómo se puede medir, se denomina el potencial de plasma o el potencial espacial. Si se introduce un electrodo en un plasma, su potencial generalmente será considerablemente inferior al potencial del plasma, debido a lo que se llama un envoltorio de Debye. La buena conductividad eléctrica de los plasmas provoca que sus campos eléctricos sean muy pequeños. Esto ocasiona el concepto importante de “quasineutralitat”, que explica que la densidad de cargas negativas es aproximadamente igual a la densidad de cargas positivas, si se consideran volúmenes grandes de plasma, pero en la escala de la longitud de Debye puede haber desequilibrio de carga. En el caso especial de que se formen dobles capas, la separación de carga se puede extender algunas decenas de longitudes de Debye.

Es posible producir un plasma que no sea casi neutral. Un rayo de electrones, por ejemplo, tiene sólo cargas negativas. La densidad de un plasma no neutro debe ser generalmente muy baja, o debe ser muy pequeña, de lo contrario sería disipado por la fuerza electrostática repulsiva.

En plasmas astrofísicos, el apantallamiento eléctrico de Debye impide que los campos eléctricos afecten directamente a distancias mayores (es decir, mayor que la longitud de Debye). Pero la existencia de partículas cargadas provoca que el plasma genere y sea afectado por campos magnéticos. Esto puede provocar comportamientos extremadamente complejos, como la generación de dobles capas de plasma, un objeto que separa cargas varias decenas de longitudes de Debye. La dinámica de los plasmas que interaccionan con campos magnéticos externos y autogenerados se estudian en la disciplina académica de magnetohidrodinàmica.

Magnetización

Se dice que imantan un plasma cuando el campo magnético es lo suficientemente fuerte para influir en el movimiento de las partículas cargadas. Un criterio cuantitativo común es que una partícula, de media, completa al menos una revolución alrededor del campo magnético antes de hacer una colisión (es decir, \ omega_ {ce} / \ nu_ {cuello}> 1en que \ omega_ {ce}es la “frecuencia de rotación del electrón” y \ nu_ {cuello}es el “índice de colisión del electrón”). A menudo se da el caso de que los electrones se imantan mientras que los iones no. Los plasmas imantados son anisótropos, lo que quiere decir que sus propiedades en paralelo a la dirección del campo magnético son diferentes de las perpendiculares. Mientras que los campos eléctricos en plasmas son normalmente pequeños debido a la alta conductividad, el campo eléctrico asociado a un plasma que se mueve en un campo magnético viene dado por E = – v x B (donde E es el campo eléctrico, v es la velocidad, y B es el campo magnético), y no es afectado por la envoltura de Debye.

Comparación de las fases plasma y gas

El plasma se llama a menudo el cuarto estado de materia. Es diferente de otros estados de la materia de energía más baja; más comúnmente sólido, líquido y gas. Aunque está relacionado de cerca con la fase de gas, ya que tampoco tiene ninguna forma definida o volumen, se diferencia en un cierto número de maneras, incluyendo las siguientes:

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Descripciones matemáticas

Para describir completamente el estado de un plasma, se habrían de escribir todas las posiciones y velocidades de las partículas, y describir el campo electromagnético en la región del plasma. Sin embargo, generalmente, no es práctico o no es necesario registrar todas las partículas de un plasma. Por ello, los físicos que estudian los plasmas, habitualmente, utilizan descripciones menos detalladas llamadas modelos, de los cuales hay dos tipos principales:

Modelo fluido

Los modelos fluidos describen los plasmas en términos de cantidades continuas como la densidad y la velocidad media en torno a cada posición del espacio (véase parámetros de los plasmas). Un modelo fluido simple, la magnetohidrodinàmica, trata el plasma como un fluido único gobernado por una combinación de las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de Navier-Stokes. Una descripción más general es un modelo de plasma de dos fluidos, en la que los iones y los electrones se describen por separado. Los modelos fluidos son, a menudo, cuidadosos cuando la frecuencia de colisiones es suficientemente alta para mantener la distribución de velocidades del plasma cercana a una distribución de Maxwell-Boltzmann. Como los modelos fluidos normalmente describen el plasma en términos de un flujo único a una cierta temperatura en cada localización del espacio, no pueden ni captar estructuras espaciales de velocidad, como vigas o dobles capas, ni resolver los efectos de olas partícula.

Modelo cinético

Los modelos cinéticos describen la función de distribución de la velocidad de las partículas en cada punto del plasma, por lo que no necesitan suponer una distribución de Boltzmann-Maxwell. Una descripción cinética menudo es necesaria para plasmas sin colisiones. Hay dos aproximaciones comunes para la descripción cinética de un plasma. La una se basa en representar la función de distribución continua en una verja en velocidad y posición. La otra, conocida como la técnica partícula-dentro-celda (PIC), incluye información cinética siguiendo las trayectorias de un gran número de partículas individuales. Los modelos cinéticos, generalmente, requieren más intensidad de cálculo que los modelos de fluidos. La ecuación de Vlasov se puede utilizar para describir la dinámica de un sistema de partículas cargadas que interaccionan con un campo electromagnético. En plasmas magnetizados, un enfoque girocinètic puede reducir sustancialmente el coste computacional de una simulación puramente cinética.

Fenómenos de plasma complejos

Aunque las ecuaciones subyacentes que gobiernan los plasmas son relativamente simples, el comportamiento del plasma es extraordinariamente variado y sutil: la emergencia de comportamiento inesperado a partir de un modelo simple es un rasgo típico de los sistemas complejos. Tales sistemas son, en cierto sentido, en el límite entre el comportamiento ordenado y desordenado, y normalmente no se pueden describir por funciones simples, funciones matemáticas continuamente derivables, o por la aleatoriedad pura. La formación espontánea de disparos espaciales interesantes en una gama amplia de escalas de longitud es una manifestación de la complejidad del plasma. Las características son interesantes, por ejemplo, porque son muy repentinas, espacialmente intermitentes (la distancia entre características es mucho mayor que las mismas características), o tienen una forma de fractal. Muchas de estas características se estudiaron primero en el laboratorio, y se han reconocido posteriormente por todo el universo. Ejemplos de complejidad y estructuras complejas en plasmas incluyen:

Filamentació

En muchos plasmas observan estructuras estiradas o de tipo cuerda, como la bola de plasma (imagen de encima), la aurora, los relámpagos, los arcos eléctricos, las erupciones solares, y los remanentes de supernova. Se asocian a veces con grandes densidades de corriente, y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética. (Véase también aplastamiento magnético)

La filamentació también se refiere al autoenfoque de un pulso láser de alta potencia. A altas potencias, la parte no lineal del índice de refracción deviene importante y provoca un mayor índice de refracción en el centro del rayo láser, en el que el láser es más brillante que en los bordes, que provoca una respuesta que hasta todo centra más el láser. El láser centrado más estrecho tiene un brillo de pico más alta (irradiancia) que forma un plasma. El plasma tiene un índice de refracción más bajo que uno, y provoca un desenfoque del rayo láser. La interacción del índice de refracción de enfoque y el plasma que desenfoca provoca la formación de un filamento largo de plasma que puede ser de micras a kilómetros en largo.

Choques o dobles capas

Las propiedades del plasma cambian rápidamente (dentro de unas cuantas longitudes de Debye) a lo largo de una superficie bidimensional en presencia de un choque (en movimiento) o de una doble capa (estacionaria). Las dobles capas implican una separación de carga localizada, que provoca una diferencia de potencial grande a través de la capa, pero no genera un campo eléctrico en el exterior de la capa. Las dobles capas separan regiones de plasma adyacentes con características físicas diferentes, y se encuentran a menudo en plasmas que transportan corriente eléctrica. Aceleran tanto iones como electrones.

Campos eléctricos y circuitos

La quasineutralitat de un plasma exige que las corrientes eléctricas del plasma se cierren sobre sí mismos en circuitos eléctricos. Estos circuitos siguen las leyes de Kirchhoff, y tienen una resistencia eléctrica y una inductancia. Estos circuitos se deben tratar, generalmente, como un sistema fuertemente acoplado, con el comportamiento en cada región de plasma dependiente del circuito entero. Es este acoplamiento fuerte entre elementos del sistema, junto con la no linealidad, lo que puede conducir a un comportamiento complejo. Los circuitos eléctricos en los plasmas almacenan energía inductiva (magnética), y el circuito se interrumpe, por ejemplo, por una inestabilidad del plasma, la energía inductiva liberará afuera del calentamiento del plasma y de la aceleración. Esta es una explicación común para el calentamiento que tiene lugar en la corona solar. Las corrientes eléctricas, y en particular las corrientes eléctricas alineados por campos magnéticos (que a veces se denominan de manera genérica corrientes de Birkeland) también se observan en la aurora de la Tierra, y en filamentos de plasma.

Estructura celular

Láminas delgadas con cambios repentinos de las propiedades del plasma al atravesar la lámina pueden separar regiones del plasma con propiedades diferentes como magnetización, densidad, y temperatura, y dan lugar a un conjunto de regiones en forma de células. Los ejemplos incluyen la magnetosfera, la heliosfera, y lámina de corriente Heliosférico. Hannes Alfvén escribió: “Desde el punto de vista cosmológico, la nueva descubierta más importante en investigación espacial, probablemente, es la estructura celular del espacio. Como se ha visto en todas las regiones del espacio que son accesibles a medidas in situ, hay un cierto número de ‘paredes celulares’, láminas de corrientes eléctricas, que dividen el espacio en compartimentos con diferente magnetización, temperatura, densidad, etc. “.

Velocidad de ionización crítica

La velocidad de ionización crítica es la velocidad relativa entre un plasma ionizado (magnetizado) y un gas neutro sobre los que tiene lugar un proceso de ionización repentino. El proceso de ionización crítico es un mecanismo bastante general para la conversión de la energía cinética de un gas que fluye rápidamente en energía de ionización y energía térmica del plasma. Los fenómenos críticos, en general, son típicos de sistemas complejos, y pueden conducir a características espaciales o temporales repentinas.

Plasma ultrafríos

Es posible crear plasmas ultrafríos, utilizando láseres para atrapar y enfriar átomos neutros a temperaturas de 1 mK o inferiores. Entonces, otro láser ioniza los átomos y da suficiente energía sólo cada uno de los electrones más externos para que evite la atracción eléctrica de su ion.

El punto clave sobre plasmas ultrafríos es que manipulando los átomos con láseres, la energía cinética de los electrones liberados se puede controlar. Utilizando láseres pulsantes estándares, la energía de los electrones se puede hacer corresponder a una temperatura de tan baja como 0.1 K, un conjunto límite para el ancho de banda de frecuencia de los láseres pulsantes. Los iones, sin embargo, retienen las temperaturas mil·likelvin los átomos neutros. Este tipo de plasma ultrafríos no en equilibrio evoluciona rápidamente, y muchas cuestiones fundamentales sobre su comportamiento permanecen sin respuesta. Los experimentos llevados a cabo hasta ahora han mostrado dinámicas sorprendentes y comportamiento de recombinación que están presionando los límites del conocimiento de la física de plasmas. Uno de los estados metaestables de plasma fuertemente no ideal es la materia de Rydberg, que se forma con la condensación de átomos excitados.

Plasma no neutro

La intensidad y el alcance de la fuerza eléctrica y la buena conductividad de los plasmas, normalmente, aseguran que la densidad de cargas positivas y negativas en cualquier región grande sea igual (“quasineutralitat”). Un plasma que tiene un exceso significativo de densidad de carga o que está, en el caso extremo, compuesto sólo de una especie, se llama un plasma no neutro. En tal plasma, los campos eléctricos juegan un papel dominante. Ejemplos son chorros de partículas cargadas, nubes de electrones encerrados en una trampa de Penning, y plasmas de positrones.

Plasma polvoriento y plasma granular

Un plasma polvoriento es el que contiene partículas de polvo minúsculas cargadas (normalmente, se encuentra en el espacio), que también se comportan como un plasma. Un plasma que contiene partículas más grandes se llama un plasma granular.

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