¿QUÉ ES EL PLASMA?

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      ¿Qué es el Plasma?
      Grado de ionización del plasma
      Colisiones
Capítulo 4


¿Qué es el Plasma?

La definición que se enseña nos dice: "El plasma es un conjunto cuasineutral de partículas con portadores libres de carga eléctrica, el cual desarrolla comportamiento colectivo". Analicemos por partes esta definición. Lo más importante es que en el plasma se encuentran portadores de carga eléctrica libres. Los átomos están al menos parcialmente ionizados. El grado de ionización no tiene que ser muy grande, si el tamaño de la formación de plasma es lo suficientemente extensa. Precisamente un plasma se diferencia de un gas por el que haya portadores libres de carga en el primero. El plasma es conductivo y reacciona fuertemente a los campos eléctricos y magnéticos. La segunda cualidad es la cuasineutralidad. Supongamos que visto microscópicamente un cierto volumen tiene en promedio siempre la misma cantidad de partículas positivas y negativas. Desde afuera el plasma se comporta como si fuera un fluido sin carga (líquido o gas). La exigencia de cuasineutralidad toma en parte de la definición de plasma lo de ser un conjunto de partículas cargadas, las cuales difieren solamente un poco cualitativamente en ésta característica (o sea, un plasma es “casi” neutral, pero no lo es completamente). La última parte de la definición de plasma es su comportamiento colectivo. Con esto se entiende que el plasma es capaz en su conjunto de procesos de generar campos magnéticos y eléctricos, campos a los cuales a su vez puede reaccionar. La definición de plasma no incluye los conjuntos de partículas cargadas donde la cantidad de partículas positiva y negativamente cargadas no sea aproximadamente la misma, ya que no llenan el requerimiento de cuasineutralidad. Tampoco se incluyen los gases muy débilmente ionizados, como son las llamas de las velas (no llenan el requerimiento de comportamiento colectivo). El concepto de plasma fue usado por primera vez por Irwing Langmuir (1881-1957).

El estado plasmático todavía lo podemos subdividir en algunos cuantos grupos más:

  • Plasma común: las capas de electrones de los átomos son parcialmente deterioradas (debido a una alta temperatura o presión). Los electrones libres son responsables de las características plasmáticas de la sustancia en cuestión.
  • Plasma termonuclear: Las capas electrónicas de los átomos no existen, la sustancia es una mezcla de núcleos “pelados” y electrones libres. En éste estado se encuentran el plasma en los núcleos de las estrellas, donde se da lugar la síntesis TN.
  • Plasma de nucleones: Debido a muy altas temperaturas o presiones, los mismos núcleos atómicos son despedazados. La materia es una mezcla de electrones, protones y neutrones. Los plasmas nucleónicos se manifestaron a los 10−5 s después del comienzo del Universo, donde los quarks crearon los primeros protones y neutrones. Encontramos también este tipo de plasma en las capas exteriores de una supernova explotando, donde su comienzo desarrolla una onda de choque de gas presionado. En ésta capa por un corto tiempo se dan lugar disturbios en las reacciones termonucleares, que dan lugar a elementos pesados.
  • Plasma de Quarks-gluones: en altas energías los nucleones mismos se desmenuzan en sus constituyentes: los quarks y los gluones. En ese estado se encontraba la materia quizá hasta el primer décimo de microsegundo después del comienzo del Universo y artificialmente se logró reproducir este estado de la materia en el CERN en el año 2000.

Por plasma, sin embargo, algunos autores también entienden algunas partes de la ionósfera, especialmente la capa F, la cual refleja las ondas de radio y permite la comunicación por radio a través de la reflexión en la ionósfera. El plasma se encuentra en los cinturones radiantes de van Allen. El viento solar, una corriente ininterrumpida de partículas desde nuestro Sol, dentro de la cual también se encuentra nuestra Tierra, es también un plasma. En estado plasmático se encuentran los núcleos y atmósferas de las estrellas, el núcleo de nuestra galaxia, las nebulosas y la mayoría de los objetos en el Universo. En la Tierra nos encontramos con el plasma en los canales de los rayos, en diferentes descargas eléctricas y el plasma es también creado artificialmente e investigado en los laboratorios.

Estructura fibrosa

Estructura fibrosa en los restos posteriores a la explosión de la supernova en la constelación de Vela (en luz visible).
Fotografía por David Malin - UK Schmidt Telescope, copyright: Anglo Australian Telescope Board, 1996.

¿Cuáles son los fenómenos básicos en el plasma? El plasma tiene tendencia a crear formaciones lineales y de superficie – la fibra plasmática o estrujamiento (pinch) y las superficies de corriente o paredes estrujadas (pinched). El plasma proyecta fenómenos llamados colectivamente como deriva – movimiento de las partículas perpendiculares a un campo magnético u otros campos de fuerzas. A través de un plasma se pueden expandir una cantidad enorme de ondas de diferentes tipos – desde las ondas magnetoacústicas, a las cuales pertenece pro ejemplo la conocida onda de Alfvén, las cuales son la analogía de las ondas acústicas en los gases excepto que las ondas electromagnéticas les permiten exhibir muchos modos distintos. Estas ondas son en el plasma también muy fácilmente generadas. El plasma puede alcanzar toda una gama de inestabilidades, las cuales tienen como consecuencia por ejemplo la radiación por corto tiempo de ciertas cantidades de energía que dan lugar a ciertas estructuras características. Al plasma sin lugar a dudas pertenece la brillantez (por recombinación electrón-átomo, enfrenamiento y sincrotrónica), la creación de capas dobles eléctricas, el aceleramiento de partículas cargadas con una cierta energía, el dínamo magnetohidrodinámico, el cuál produce el campo magnético en el interior del Sol y los planetas y muchos más fenómenos interesantes.

La humanidad actual puede crear plasmas fácilmente, incluso en el laboratorio. Los ejemplos más típicos son:

  • plasma láser – tiempo de vida: 10−12 ÷ 10−9 s
  • plasma pulsante – tiempo de vida:  10−9 ÷ 10−6 s
  • Tokamak – tiempo de vida: 1 s
  • plasma frío – tiempo de vida: horas, días, años


Grado de ionización del plasma

Grado de ionización del plasma (la relación de la cantidad de partículas ionizadas contra la cantidad total de partículas presentes) es uno de los parámetros más importantes, el cuál permite precisar el comportamiento del plasma. Depende principalmente de la temperatura y es posible deducirlo en una primera aproximación a partir de la ecuación de Saha para un plasma que ha sido ionizado una vez y en equilibrio termodinámico

ni2/nn = C T 3/2 exp[−Ui/kT]  ;      C ~  2,4×1021 m−3 .

en donde ni es la concentración de iones que han perdido un electrón, nn es la concentración de partículas neutrales, Ui es potencial de ionización [que en principio no se debe de confundir con la función de trabajo de Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico, observado principalmente en metales, N. del T.] y T es la temperatura del plasma. La ecuación de Saha es usable para gases. Algunas veces se considera como un cierto tipo de plasma incluso sustancias en estado sólido (por ejemplo los metales), los cuales tienen portadores libres de cargas y exhiben comportamiento colectivo. Aquí, sin embargo la cantidad de portadores libres de carga no se puede determinar con la ecuación de Saha.


Colisiones

En el plasma también tienen lugar las colisiones de partículas cargadas. El carácter de las colisiones y su mecanismo se diferencia de las colisiones de partículas neutras. Durante la colisión de partículas neutras hay cambios abruptos de dirección del movimiento, mientras que en el plasma los cambios de dirección, resultado en su mayoría de la interacción con el campo eléctrico (~ 1/r2), son más suaves.

Colisiones

Colisiones en un gas neutro (izquierda) y en el plasma (derecha)

  • El Camino Libre Medio lo podemos definir por ejemplo como la distancia promedio, durante la cual se llega a una desviación del sentido original en 90°. Con el incremento de la temperatura la sección efectiva de colisión se disminuye – las partículas cargadas en altas temperaturas adquieren altas velocidades, con lo cual interactúan solamente por un período de tiempo muy corto y las desviaciones del sentido original son pequeñas.
  • La Conductividad Eléctrica en el plasma esta dada por el carácter de las colisiones. La conductividad depende principalmente de la temperatura (σ ~ T 3/2) y mínimamente de la concentración plasmática. La corriente circulante previene, en bajas concentraciones, un número pequeño de portadores de carga, y ante altas concentraciones, previene que haya un número grande de colisiones. Con el incremento de temperatura la conductividad del plasma se incrementa (en los metales es al contrario), porque la sección efectiva de colisión se disminuye.
  • El Grosor Óptico (densidad) del plasma depende del camino libre medio de los fotones en el plasma. Por óptimamente escaso se conoce el plasma de cuyas dimensiones son comparables con el camino medio libre de la radiación electromagnética que atraviesa al plasma en cuestión. Ópticamente denso es tal plasma, cuyas dimensiones son mucho mayores, que el camino medio libre de los fotones, cuyo brillo interactúa intensamente con el plasma.

Traducción: Arturo Ortiz Tapia, 2005