FENÓMENOS EN EL PLASMA

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En esta página encontrará los capítulos:
item     Estrujamiento
item     Oscilaciones y ondas
item     Derivas
item     Fuerza gradiente B
item     Inestabilidades
Capítulo 4

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Estrujamiento

Las configuraciones plasmáticas más típicas son las fibras a través de las cuales circula una corriente eléctrica (estrujamiento o pinch). Las encontramos en los canales de los rayos, en las protuberancias en el Sol y nebulosas alejadas y en el núcleo de las galaxias. Así como para las interacciones gravitacionales son características las estructuras esféricas (estrellas, glóbulos, planetas) así las estructuras cilíndricas son características de los plasmas. La corriente circulante genera un campo magnético, el cual hace rotar al estrujamiento. Este campo comprime al estrujamiento a través del gradiente llamado presión magnética pm = B2/2μ y contra él reacciona el gradiente de presiones de la materia y la radiación. (En las estrellas contra el gradiente de presión de la radiación y la materia reacciona la gravedad). La presencia de estructuras fibrosas en el Universo regularmente significa la presencia de materia ionizada y campos magnéticos.

Estrujamiento

Estrujamiento

El estrujamiento en laboratorios terrestres:


Aparatos de tamaño mediano en Europa (1 MA, 3×5 μs)

  • University of Ferrara (Italia)
  • IPPLM Varszaw (Polonia)

Aparatos europeos grandes (1 MA, 200×400 ns)

  • Imperial College, Londres (Inglaterra)
  • Ecole Polytechnique Paris (Francia)
  • Universität Düsseldorf (Alemania)

Los más grandes aparatos

  • Troitsk (3 MA, 10 ns)
  • S-300 (3,5 MA, 150 ns), Centro Científico Ruso Kurchatov, Moscú
  • Saturn (10 MA, 20 ns), Sandia National Laboratories, EUA
  • Jupiter (20 MA, 100 ns), Sandia National Laboratories, EUA

Saturn

El "Saturn" (Saturno, por su nombre original en inglés)

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Oscilaciones y ondas

En el plasma se pueden manifestar una cantidad grande de las más diversas ondas y oscilaciones. La riqueza de estos fenómenos esta dado por la reacción del plasma a los campos eléctricos y magnéticos. De esto son desprovistos los gases normales y las ondas que se propagan en gases y líquidos no llegan ni al décimo de modos de ondas que se propagan en el plasma. A grandes rasgos las ondas se pueden clasificar en dos partes:

  • Ondas de baja frecuencia: Se trata de ondas con frecuencia cercana a la plasmática de los iones ωpi = (ne2/miε0)1/2. Esta frecuencia es la natural de oscilación de los iones. A las ondas con frecuencia similar las llamamos ondas magnetoacústicas. Se trata de una analogía con las ondas acústicas en materia normal, en esta ocasión influenciadas por la presencia de un campo magnético. El sonido se propaga en este caso anisotrópicamente y en varias capas de ondas.
  • Ondas de alta frecuencia: Se trata de ondas con una frecuencia similar a la plasmática de los electrones ωpe = (ne2/meε0)1/2. Esta frecuencia es la natural de las oscilaciones de los electrones. Se trata de una gran cantidad de diferentes tipos de ondas electromagnéticas que se propagan en el plasma.

Algunos modos de ondas:


De baja frecuencia:

  • Onda AW – onda de Alfvén
  • Onda S – onda magnetoacústica lenta
  • Onda F – onda magnetoacústica rápida

De alta frecuencia:

  • Onda O – onda ordinaria
  • Onda X - onda extraordinaria
  • Onda R – onda dextrógira
  • Onda L – onda levógira
  • Silbidos
  • Oscilación híbrida inferior
  • Oscilación híbrida superior

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Derivas

El movimiento típico de las partículas cargadas es en forma de círculos o hélices alrededor de las líneas de fuerza del campo magnético. A este movimiento se le llama rotación de Larmor (giro, movimiento ciclotrónico). A la frecuencia del movimiento se le llama frecuencia ciclotrónica (ω = QB/m) y al radio de órbita radio de Larmor (RL = mv/QB). Si en el plasma esta presente algún otro campo (por ejemplo eléctrico), que cambie poco en el tiempo y el espacio en comparación con el período y radio de la rotación de Larmor, entonces se manifiesta una deriva. Se trata del movimiento de partículas cargadas a lo largo curvas perpendiculares al campo eléctrico (u otro) y al campo magnético, a las cuales llamamos trocoides (un ejemplo especial es el cicloide). La velocidad del movimiento curvilíneo (deriva) es vD = F×B/QB2. Para el campo eléctrico F = QE, la magnitud de esta velocidad es vD = E/B. Es un hecho muy conocido, que la proporción entre el campo eléctrico y el magnético es la velocidad típica en un sistema dado. En ondas electromagnéticas es por ejemplo E/B = c. En el plasma se trata de la velocidad típica de deriva de las partículas.

Drift

Las derivas más conocidas:


  • Deriva E×B (transversal al campo eléctrico y magnético, fuerza eléctrica)
  • Deriva Gravitacional (transversal al campo gravitacional y magnético, fuerza gravitacional)
  • Deriva Grad B (producto del cambio de densidad en las líneas de fuerza del campo magnético, fuerza gradiente de B)
  • Deriva de curvatura (resultado de la curvatura de las líneas de fuerza del campo magnético, fuerza centrífuga)
  • Deriva de polarización (resultado del lento cambio en el campo eléctrico en el tiempo, fuerza inducida)

Dipolo magnético

Dipolo magnético.

Una partícula en un dipolo magnético tiene tres movimientos:

  1. Rotación de Larmor.
  2. Movimiento a lo largo de las líneas de fuerza con reflexión en las zonas polares. La reflexión se da en las partes densas del campo magnético por la influencia de la fuerza grad B (efecto de espejo magnético).
  3. Deriva transversal a las líneas de fuerza por efecto de la fuerza centrífuga generada por el movimiento 2. La velocidad de esta deriva es perpendicular tanto la campo magnético como a ésta fuerza centrífuga.

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Fuerza grad B

Las partículas cargadas son comprimidas desde la zona más fuerte del campo magnético F = −μ grad B. Esta fuerza produce por ejemplo el fenómeno conocido como espejo magnético, donde las partículas son reflejadas en las zonas con una mayor densidad de líneas de fuerza magnéticas a las zonas con una menor densidad de las mismas. También actúa en partículas cargadas que rotan a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético de la Tierra, las cuales fueron atrapadas del viento solar. En las zonas polares, donde el campo es más fuerte (las líneas de fuerza son más densas) las partículas se reflejan y viajan de regreso a lo largo de las líneas de fuerza. En los lugares de reflejo de las partículas se da un brillo sincrotrónico (desacelerante).

Configuraciones típicas de espejos magnéticos:

Espejos magnéticos

Espéjo magnético (izquierda), espéjo azimutal (derecha)

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Inestabilidades

El plasma es como un saco de pulgas. En el laboratorio siempre se nos escapa precisamente hacia donde no queremos. El culpable de esto pueden ser distintos tipos de inestabilidades en el plasma, las cuales en el Universo pueden transformarse en estructuras muy interesantes. Hablamos de inestabilidad siempre que la influencia de eventos pequeños (fluctuaciones aleatorias, disturbios producto de influencias internas, etc.) desemboca en un cambio completo de configuración del plasma. Mostremos solo algunas de ellas:

Inestabilidad “cuentas de collar” [también conocida como “de salchicha” o técnicamente como m = 0 (N. del T.)]: Si una fibra de plasma, a través de cuyo eje circula una corriente, se llega a estrangular, el campo magnético inducido profundizará dicho estrangulamiento hasta que se desintegre la fibra en pequeñas zonas o “cuentas de collar”. Esta inestabilidad es fuertemente suprimida en estrujamientos helicoidales, donde la corriente y el campo magnético tienen ambos componentes cilíndricos – axiales (a lo largo de un eje) y azimutales (alrededor de una circunferencia) creándose una espiral de fibras.

Cuentas de collar Cuentas de collar

Inestabilidad de enroscamiento: Si acaso la fibra plasmática, a través de cuyo eje circule una corriente, aleatoriamente se inflexionase, el campo magnético inducido profundizará esta inflexión. Incluso esta inestabilidad es parcialmente suprimida en un estrujamiento helicoidal.

Inestabilidad de enroscamiento

Inestabilidad de Diocotrón: si por alguna razón el estrujamiento desemboca en una separación de las cargas eléctricas en el sentido radial, aparece un campo eléctrico no nulo, el cuál junto con el campo magnético axial Bz produce una deriva de la velocidad azimutal vφ. Todo el estrujamiento comienza a rotar con rotación diferencial (las zonas con diferente alejamiento del eje rotan con diferente velocidad). En la superficie del estrujamiento se hacen contiguas dos zonas con diferente velocidad (el estrujamiento que rota y su contexto de alrededor) y puede desembocar en el desarrollo de una inestabilidad conocida de las observaciones en fluidos con corriente eléctrica. A esta inestabilidad la llamamos de diocotrón. La consecuencia típica es una modificación de la superficie del estrujamiento en una estructura de vórtices.

Inestabilidad de diocotrón

Sección transversal del desarrollo de una inestabilidad de diocotrón

Aurora

Brillo polar [también conocido como ‘aurora boreal’ N. del T.] observado sobre Alaska 31.1.1973


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Traducción: Arturo Ortiz Tapia, 2005