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Plasma (estáu de la materia)

Una llámpara d'plasma.
Nube llétrica.
Les lluces de neón xeneren lluz gracies al plasma qu'hai nel so interior.
Una pista d'plasma de tresbordador espacial Atlantis mientres la reentrada na atmósfera de la Tierra, como se vio dende la Estación Espacial Internacional.
Mecánica de medios continuos.

En física y química, #denominar plasma (del llatín plasma, y del griegu πλάσμα, formación) al cuartu tao d'agregamientu de la materia, un estáu fluyíu similar al estáu gaseosu pero nel que determinada proporción de les sos partícules tán cargaes llétricamente y nun #tener equilibriu electromagnéticu, por eso son bonos conductores llétricos y les sos partícules respuenden fuertemente a les interacciones electromagnétiques de llargu algame.[1]

L'plasma tien carauterístiques propies que nun se dan nos sólidos, líquidos o gases, polo que ye consideráu otru estáu d'agregamientu de la materia. Como'l gas, l'plasma nun tien una forma o volume definíu, sacantes que tea zarráu nun contenedor; pero a diferencia del gas nel que nun esisten efeutos colectivos importantes, l'plasma so la influencia d'un campu magnético puede formar estructures como filamentos, rayos y capes dobles.[2] Los átomos d'esti estáu muévense llibremente; cuanto más alta ye la temperatura más rápido muévense los átomos nel gas, y nel momentu de topetar la velocidá ye tan alta que se produz un desprendimientu d'electrones.[3]

Calecer un gas puede ionizar les sos molécules o átomos (amenorgando o amontáu'l so númberu d'electrones pa formar iones), convirtiéndolo nun plasma.[4] La ionización tamién puede ser inducida per otros medios, como l'aplicación d'un fuerte campu electromagnético por aciu un láser o un xenerador de microondes, y ye acompañáu pola disociación de los enllaces covalentes, si tán presentes.[5]

L'plasma ye l'estáu d'agregamientu más abondosu de la naturaleza, y la mayor parte de la materia nel Universu visible #atopar n'estáu d'plasma, la mayoría del cual ye'l enrarecido plasma intergaláctico (particularmente el centru de intracúmulos) y nes estrelles.[6]

Exemplos d'afiguresEditar

 
El sol quiciabes sía l'exemplu d'plasma más identificable.

Dellos exemplos d'afigures son:[7]

Formes comunes d'plasma
Producíos artificialmente Afigures terrestres Afigures espaciales y astrofísicos:
  • Nes televisiones o monitores con pantalla d'plasma.
  • Nel interior de los tubos fluorescentes (llume de baxu consumu).[8]
  • En soldadures d'arcu llétricu so #proteición por gas (TIG, MIG/MAG, etc.)
  • Materia espulsada pa la propulsión de cohetes.
  • La rexón qu'arrodia al escudu térmicu d'una nave espacial mientres la so entrada na atmósfera.
  • L'interior de los reactores de fusión.
  • Les descargues llétriques d'usu industrial.
  • Les boles d'plasma.
  • Los rayos mientres una nube.
  • El Fueu de San Telmo.
  • La ionosfera.
  • L'aurora boreal.
  • Delles llapaes.[9]
  • El vientu polar, una fonte d'plasma.

AplicacionesEditar

 
Les LCF son exemplu d'aplicación del plasma.

La física d'afigures puede atopar aplicación en diverses árees:[10]

  • Descargues de gas (electrónica gaseosa).
  • Fusión termonuclear controlada.
  • Física del espaciu.
  • Astrofísica moderna.
  • Conversión d'enerxía de MHD (magnetohidrodinámica) y propulsión iónica.
  • Afigures d'estáu sólidu.
  • Láseres de gas.

Parámetros d'un plasmaEditar

Cuidao que esisten afigures en contestos bien distintos y con carauterístiques diverses, la primer xera de la física del plasma ye definir apropiadamente los parámetros que deciden el comportamientu d'un plasma. Los principales parámetros son los siguientes:

Neutralidá y especies presentesEditar

L'plasma ta formáu por igual númberu de cargues positives y negatives, lo qu'anula la carga total del sistema. En tal casu #falar d'un plasma neutru o casi-neutru. Tamién esisten afigures non neutros o inestables, como'l fluxu d'electrones dientro d'un acelerador de partícules, pero riquen dalgún tipu de confinamientu esternu pa vencer les fuercies de repulsión electrostática.

#Afigurar más comunes son los formaos por electrones ya iones. Polo xeneral puede haber delles especies d'iones dientro del plasma, como molécules ionizadas positives (cationes) y otres que prindaron un electrón y apurren una carga negativa (aniones).

LlargoresEditar

El llargor de Debye o de apantallamiento electromagnéticu.[11] Tamién el llargor d'una onda plasmática depende del conteníu cóncavo del so recipiente, que inflúi porque'l so paralelismu con respectu de la exa x sobre la tierra afecta'l llargor de dicha onda d'espectru electromagnéticu.[cita [ensin referencies]

La frecuencia d'plasmaEditar

Según el llargor de Debye apurre una midida de los llargores tíicos nun plasma, la frecuencia d'plasma (


p {\displaystyle \omega _{p}} ) describe los sos tiempos carauterísticos. Supóngase que nun plasma n'equilibriu y ensin densidaes de carga introduz un pequeñu desplazamientu de tolos electrones nuna direición. Estos van sentir l'atracción de los iones na direición opuesta, van #mover escontra ella y van empezar a bazcuyar en redol a la posición orixinal d'equilibriu. La frecuencia de tal oscilación ye lo que se denomina frecuencia d'plasma. La frecuencia d'plasma de los electrones ye:[12]

onde   ye la masa del electrón y y {} la so carga.

Temperatura: velocidá térmicaEditar

 
Los rescamplos son un plasma qu'algama una temperatura de 27.000 °C.

Polo xeneral les partícules d'una determinada especie alcontraes nun puntu dáu nun tienen igual velocidá: presenten pela cueta una distribución que nel equilibriu térmicu ye descrita pola distribución de Maxwell-Boltzmann. A mayor temperatura, mayor va ser la dispersión de velocidaes (más ancha va ser la #curva que la representa).

Una midida de tal dispersión ye la velocidá cuadrática media que, nel equilibriu, #denominar tamién velocidá térmica. Ye frecuente, anque formalmente incorrectu, falar tamién de velocidá térmica y de temperatura n'afigures llueñe del equilibriu termodinámicu.[cita [ensin referencies] En tal casu, méntase la temperatura que correspondería a una velocidá cuadrática media determinada. La velocidá térmica de los electrones ye:

El parámetru d'plasmaEditar

El parámetru d'plasma (


{ } ) indica'l númberu mediu de partícules conteníes nuna esfera que'l so radio ye'l llargor de Debye (esfera de Debye). La definición d'plasma, según la cual la interacción electromagnética d'una partícula col ensame de partícules distantes apodera sobre la interacción colos pocos vecinos próximos, puede escribise en términos del parámetru d'plasma como


1 {\displaystyle \Gamma \gg } .[13][14] Esto ye: hai un gran númberu de partícules conteníes nuna esfera de Debye. Ye común referise a esta desigualdá como "condición d'plasma".

#Dellos autores adopten una definición inversa del parámetru d'plasma (


= 1 /


{\displaystyle g=/\Gamma } ), colo que la condición d'plasma resulta ser g


{} .[15]

El parámetru d'plasma de los electrones ye:

Modelos teóricosEditar

En conociendo los valores de los parámetros descritos na seición anterior, l'estudiosu de #afigurar tendrá d'escoyer el modelu más apropiáu pal fenómenu que lu ocupe. Les diferencies ente distintos modelos moren nel detalle col que describen un sistema, de cuenta que puede establecese asina xerarquía na que descripciones de nivel cimeru #deducir de les inferiores n'asumiendo que dalgunes de les variables #portar de forma prescrita. Estes asunciones o aproximamientos razonables nun son puramente ciertos pero dexen entender fenómenos que seríen difíciles de tratar en modelos más detallaos.

De xacíu, non toles especies han de ser descrites d'una mesma forma: por casu, por cuenta de que los iones son muncho más pesaos que los electrones, ye frecuente analizar la dinámica de los postreros tomando a los iones como inmóviles o estudiar los movimientos de los iones suponiendo que los electrones reaccionen muncho más rápido y por tantu tán siempres n'equilibriu termodinámicu.

Cuidao que les fuercies electromagnétiques de llargu algame son dominantes, tou modelu d'plasma va tar acopláu a les ecuaciones de Maxwell, que determinen los campos electromagnéticos a partir de les cargues y corrientes nel sistema.[16]

Los modelos fundamentales más usaos na física del plasma, llistaos n'orde decreciente de detalle, ye dicir de microscópicos a macroscópicos, son los modelos discretos, los modelos cinéticos continuos y los modelos de fluyíos o hidrodinámicos.

Modelos discretosEditar

El máximu detalle nel modeláu d'un plasma consiste en describir la dinámica de caúna de les sos partícules según la segunda llei de Newton. Pa faer esto con total exactitú u sistema de N {} partícules habría que calcular del orde de N

{\displaystyle N^{2}} interacciones. Na gran mayoría de los casos, esto entepasa la capacidá de cálculu de los meyores ordenadores actuales.

Sicasí, gracies al calter colectivu del plasma, reflexáu na condición d'plasma, ye posible una simplificación que fai muncho más afechisca'l cálculu. Esta simplificación ye la qu'adopten los llamaos modelos numbéricos Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-Celda): l'espaciu del sistema #estremar nun númberu non bien grande de pequeñes celdes.[17][18] En cada intre de la evolución cunta'l númberu de partícules y la velocidá media en cada celda, colo que se llogren densidaes de carga y de corriente que, ensertaes nes ecuaciones de Maxwell dexen calcular los campos electromagnéticos. Tres ello, calcúlase la fuercia exercida per estos campos sobre cada partícula y actualízase la so posición, repitiendo esti procesu tantes vegaes como sía oportunu.

Los modelos PIC gocien de gran popularidá nel estudiu d'afigures a altes temperatures, nos que la velocidá térmica ye comparable al restu de velocidaes carauterístiques del sistema.

Modelos cinéticos continuosEditar

Cuando la densidá de partícules del plasma ye abondo grande ye conveniente amenorgar la distribución de les mesmes a una función de distribución promediada.[19] Esta representa la densidá de partícules contenida nuna rexón infinitesimal del espaciu de fases, ye dicir l'espaciu que les sos coordenaes son posiciones y cantidaes de movimientu. La ecuación que gobierna la evolución temporal de les funciones de distribución ye la ecuación de Boltzmann. Nel casu particular nel que los choques son despreciables la ecuación de Boltzmann #amenorgar a la ecuación de Vlasov, demostrada por Anatoly Vlasov.[20]

Los modelos físicos cinéticos suelen emplegase cuando la densidá numbérica de partícules ye tan grande qu'un modeláu discretu resulta inabordable. Per otra parte, los modelos cinéticos constitúin la base de los estudios analíticos sobre afigures calientes.

Modelos de fluyíos o hidrodinámicosEditar

Para afigures a baxes temperatures, nos qu'estudiamos procesos que les sos velocidaes carauterístiques son enforma mayores que la velocidá térmica del plasma, podemos simplificar el modelu y asumir que toles partícules d'una especie nun puntu dáu tienen igual velocidá o que tán abondo cerca del equilibriu como pa suponer que les sos velocidaes siguen la distribución de Maxwell-Boltzmann con una velocidá media dependiente de la posición.[cita [ensin referencies] Entós pueden derivase unes ecuaciones de fluyíos pa cada especie que, na so forma más xeneral, son llamaes ecuaciones de Navier-Stokes. Lamentablemente en munchos casos estes ecuaciones son descomanadamente complexes y inmanejables; hai que recurrir entós a simplificaciones adicionales.

Ver tamiénEditar

ReferenciesEditar

  1. «Plasma». Consultáu'l 28 de octubre de 2011.
  2. Serway, R.A.; Faughn, J.S. (2004).
  3. Bittencourt, pp. 1-2
  4. Luo, Q-Z; D'Angelo, N; Merlino, R. L. (1998).
  5. Sturrock, Peter A. (1994).
  6. Se asegura ocasionalmente que más del 99% de la materia en el universo visible es plasma.
  7. Plasma science and technology (en inglés)
  8. IPPEX Glossary of Fusion Terms (en inglés) Consultáu'l 28 de octubre de 2011.
  9. "Plasma and Flames – The Burning Question", (en inglés) Consultáu'l 8 November 2012
  10. Chen, pp. 13-16
  11. Bittencourt, pp. 7-8
  12. Bittencourt, p. 10
  13. Sturrock, pp. 11-14
  14. Chen, p. 11
  15. Bittencourt, p. 9
  16. Chen, pp. 54-55
  17. Büchner, J.; Dum, C.T. (2003).
  18. Dawson, J.M. (1983).
  19. Chen, p. 225
  20. Chen, pp. 230-236

BibliografíaEditar

Enllaces esternosEditar