FIBRAS Y PAREDES PLASMÁTICAS


Estrujamiento: El estrujamiento o fibra de corriente plasmática pertenece quizá a las formaciones plasmáticas más comunes. En las situaciones más sencillas la corriente circula a lo largo del eje del estrujamiento (dirección axial) y alrededor del estrujamiento se crea un campo magnético (dirección azimutal). Este campo ejerce una fuerza de Lorentz en la fibra plasmática logrando contraerla. Pasa el tiempo y se establece un equilibrio entre el gradiente de presiones plasmáticos, el cual trata de que el gas se disperse y la fuerza de Lorentz, la cual comprime al estrujamiento. Este equilibrio es inestable y el estrujamiento de este tipo se desintegra rápidamente. |
Estrujamiento helicoidal: Basta,
sin embargo, que las líneas de fuerza magnéticas sean retorcidas en una especie
de cuerda magnética para que el estrujamiento se vuelva una estructura
relativamente estable. La densidad de corriente y el campo magnético tienen
componentes axiales y azimutales. El componente axial de la corriente genera un
campo azimutal y el componente azimutal genera un campo axial. En este caso
hablamos del así llamado estrujamiento helicoidal (en espiral). Si el
estrujamiento tuviese suficiente tiempo, se deforma hasta una estructura en
espiral que tenga la menor cantidad posible de energía. La corriente es guiada a
lo largo de los retorcimientos de la espiral, las líneas de fuerza magnéticas. A
esta corriente a lo largo le llamamos corriente de Birkeland. generada
por las corrientes de Birkeland es nula. Por lo mismo a esta configuración del
campo magnético y corriente se le llama “configuración libre de fuerzas” (force
free configuration). El estrujamiento con corriente de Birkeland es
forzosamente helicoidal.

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Biespiral: Con frecuencia son
observadas fibras de corriente entramadas mutuamente (biespirales). Esto es el
resultado de que dos estrujamientos espirales con corrientes coincidentes en su
orientación desde una distancia alejada se atraen (tal como dos conductores
paralelos que les circula corrientes coincidentes). Pero a cortas distancias se
logra repulsión producto del componente azimutal de la corriente. De esta manera
es posible crear una pareja energética - biespiral..

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Estrujamiento toroidal: En el
laboratorio es distinguida todavía otra configuración – el plasma que es
sujetado en una geometría toroidal en los tokamaks [Del ruso “toroidalnaja
kamera magnitnaja katusha” – cámara toroidal de
confinamento magnético. N. del T.]. Se trata de hecho de estrujamientos
retorcidos hasta adquirir formas de neumáticos de automóviles. En lugar de campo
axial aquí es más común hablar de campo toroidal y en lugar de campo azimutal se
le dice campo poloidal. |
Muro de corriente: Exceptuando
las más conocidas estructuras cilíndricas, el estrujamiento se puede formar como
una capa de corriente o estrujamiento laminado mantenido por su propio
campo magnético. En semejante muro fluye una corriente laminada, la cual genera
un campo magnético adyacente. Este campo propio toma el componente azimutal del
campo en un estrujamiento normal e impide el ensanchamiento de la pared y su
desintegración. Los ejemplos más típicos de este muro de corriente son los
brillos polares. Las corrientes laminadas aquí fluyen a lo largo del campo
bipolar de los planetas y por tanto de trata de una típica corriente de
Birkeland. |
Foco plasmático: El foco
plasmático es un arreglo de laboratorio muy interesante. Fue construido por
primera vez al final de los 1950’as. Entonces nadie sospechaba que la naturaleza
misma produce efectos similares en la luna Io del planeta Júpiter. Se trata de
un acelerador coaxial plasmático – entre dos electrodos cilíndricos el plasma es
acelerado por su mismo campo magnético. Al dejar los electrodos el plasma se
transforma en una estructura característica de paraguas, en la cual circula
todavía corriente eléctrica. Esta corriente genera un campo magnético, el cual
comprime a la “agarradera” plasmática hasta una formación lineal muy densa,
llamada foco plasmático. El foco plasmático no es otra cosa sino un
estrujamiento muy denso. En el foco plasmático se realizaron los primeros
intentos de síntesis termonuclear y en la actualidad, junto con tecnología láser
moderna volvemos a éste principio. En este año los intentos de lograr fusión
termonuclear se realizaron más veces en aparatos de estrujamiento que en los
clásicos tokamaks.

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Los muros conductores más conocidos son los brillos polares. En la zona
auroral tienen lugar laminas conductoras localizadas alrededor de los 70° de
latitud sur y norte en nuestro planeta, el grosor de este muro es algunas
décadas de kilómetros, linealmente sus dimensiones es unos mil kilómetros. La
pared esta orientada a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético
terrestre, el cual corresponde al componente axial en un estrujamiento
cilíndrico. En la lámina se dan descargas con una densidad de corriente ~ 30 μA/m2
las que generan su propio campo magnético con efectos conocidos de guías como
son los brillos polares. La primera observación en detalle del estrujamiento
laminar en la Tierra fue llevada a cabo por la sonda TRIAD en el año 1976, la
primera detección sin embargo se hizo ya desde 1966 (con el satélite de
navegación 1963-38C). Los brillos polares son en la actualidad efectos
plasmáticos muy bien estudiados no solo en nuestra Tierra. En la figura se puede
apreciar una fotografía de un brillo polar en Saturno a principios de 1998.
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Brillo polar en
Saturno. Resultado de corrientes de Birkeland que fluyen en el estrujamiento
laminar en la zona auroral. HST, cámara STIS, 7.Enero 1998. |
Justo después de esa fecha, lo que las sondas Voyager 1 y Voyager 2
fotografiaron en la luna Io fueron volcanes activos. Gold propuso (1979), que
los gases volcánicos pudieran ser ionizados y en la boca del volcán ocurriesen
descargas eléctricas, lo cual es análogo a las descargas en un acelerador
coaxial. Actualmente ya tenemos datos concretos. El campo magnético de Júpiter
en la órbita de su luna Io tiene un valor de 1900 nT. La tensión electromotriz
inducida resultado del movimiento de la luna transversal a las líneas de fuerza
es 400 kV y la corriente de Birkeland detectada es de alrededor de 1 MA. ¡La
potencia liberada es entonces ~0,4 TW! Si esta potencia fuera distribuida entre
algunos de los volcanes más grandes, de todos modos es de hecho suficiente para
mantener descargas plasmáticas y crear focos plasmáticos. Compárese la
fotografia de los volcanes con la de la capa de corriente de laboratorio de un
foco plasmático.
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Volcán Prometeo en
la luna Io. Voyager 2, 1979. La segunda toma es una vista de perfil del volcán
Prometeo desde la sonda Galileo, 28.6.1997. ¿Foco plasmático en el Universo? |

Las estructuras fibrosas están presentes en casi todas las nebulosas. Son
testigos de materia ionizada y de la presencia de campos magnéticos. En las
fibras fluye corriente eléctrica, la cual crea un campo magnético alrededor de
la fibra.
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NGC 6960/95 (The
Cygnus Loop = El aro de Cygnus). Restos de la explosión de una supernova con la
típica estructura fibrosa. Edad 15 000 años. Telescopio Espacial Hubble 1996. |

Intentemos ahora formular las diferencias básicas de las configuraciones en
equilibrio tanto de las interacciones gravitacionales (estrellas) como de las
interacciones electromagnéticas (estrujamiento):
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Los objetos que son resultado de la gravitación tienen geometría
esférica; los objetos basados en electromagnetismo tienen geometría cilíndrica.
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Los objetos basados en gravitación no necesitan la interacción
con el mundo alrededor de ellos; los estrujamientos necesitan que les circule
una corriente, la cual en los laboratorios se tiene que crear con un circuito
externo y en el Universo con un campo externo.
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Ambas configuraciones pueden tener diferencias marcadas de tamaño.
Esto esta dado por la diferencia de tamaño entre la interacción electromagnética
y la gravitacional. Por ejemplo la proporción entre la fuerza gravitacional y la
electrostática para dos protones es Fe/Fg ~ 1036.
Gracias a este hecho podemos crear en condiciones de laboratorio un
estrujamiento de pequeñas dimensiones (milímetros, centímetros), ¡dentro de los
cuales podemos observar materia con parámetros comparables al de los núcleos de
las estrellas!
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La configuración de equilibrio de las estrellas es estable para
una escala amplia de parámetros; la configuración de equilibrio de un
estrujamiento muestra una gama completa de inestabilidades: por ejemplo en el
lugar de un estrangulamiento aleatorio del estrujamiento se crea un campo
magnético más fuerte (por la reducción en radio) y una presión magnética más
grande en el estrujamiento comprime esa sección todavía más que al resto, hasta
que se divide el estrujamiento o incluso se desintegra en varias partes – como
un collar de cuentas (inestabilidad de collar de cuentas). En el lugar donde el
estrujamiento se curva, se crea un campo más fuerte y una presión en la cara
interior, por lo que el alabeo inicial se incrementará. Puesto que los
estrujamientos son estructuras fundamentalmente inestables, su conservación por
un tiempo marcadamente largo esta dado por la combinación de campos magnéticos
cruzados.
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Una fibra plasmática se encuentra en equilibrio, si la fuerza de Lorentz esta
equilibrada con el gradiente de presiones. Esta condición es válida para
configuraciones en equilibrio de una manera un tanto general, luego no solamente
para el estrujamiento, y de ahí se desprende, que durante el equilibrio las
líneas de corriente y las líneas de fuerza del campo magnético se encuentran en
capas de presión constante. W.H. Bennett dedujo por primera vez, para la
simetría cilíndrica, las condiciones de equilibrio bajo el supuesto de una
densidad de corriente constante en el estrujamiento. En el estrujamiento,
digamos en el laboratorio, alcanza un calentamiento de Joule muy fuerte por la
corriente circulante. El calor producido de esta manera incrementaría la presión
en el estrujamiento impidiendo el surgimiento del equilibrio en el mismo. En
vista de que los estrujamientos son observados como formaciones relativamente
estables, el calor del estrujamiento debe ser expulsado. R.S. Pease y S.
Braginskij propusieron que en el equilibrio la producción de calor de Joule esta
plenamente compensado por las pérdidas por radiación. El brillo en los
estrujamientos es probablemente el mecanismo más importante de liberación de
energía del estrujamiento, lo cual impide el calentamiento del estrujamiento.
R. S. Pease y S. Braginskij dedujeron independientemente en el año 1957 la
posibilidad teórica del colapso electromagnético del estrujamiento. La corriente
circulante en el estrujamiento libera por el mecanismo de Ohm (Joule) la energía
calorífica que de otra manera calentaría al estrujamiento. Esta energía es
radiada hacia afuera. La potencia de la radiación crece con la temperatura. Ante
cantidades altas de corriente, y por tanto temperaturas altas, es radiada tanta
cantidad de energía, que alcanza a perturbar el equilibrio del estrujamiento, la
presión magnética externa supera la presión material y la fibra plasmática
comienza a colapsarse hacia el centro. Al tiempo de que su temperatura no se
incrementa, sino que puede incluso disminuir gracias a la energía radiada. Este
colapso puede detenerse hasta un gas degenerado de electrones o neutrones (efectos
cuánticos en materia superdensa). El escenario del colapso electromagnético
recuerda mucho los estadios finales de la explosión de una estrella – el colapso
gravitacional en una enana blanca o una estrella de neutrones (incluyendo
enfriamiento final). El colapso electromagnético debería alcanzarse ante
corriente mayores que el valor
IPB ~ 1 MA deducida por Pease y Braginskij.
Esta cantidad no depende de la forma o el tamaño del estrujamiento. Se trata de
una constante universal compuesta de otras constantes básicas (permeabilidad del
vacío, la constante de Boltzmann, la constante de Stefan-Boltzmann,...). Este
supuesto teórico es marcadamente problemática, porque los supuestos deducidos de
Pease-Braginskij nunca se cumplen de forma precisa. La deducción fue llevada a
cabo para plasmas ópticamente ralos que radian solamente a través de procesos
recombinatorios; fue considerada solamente la conductividad de colisiones normal
en el plasma; la corriente guiada puede ser, en condiciones extremas,
influenciada por diversos efectos anómalos; la conducción de energía puede darse
a través de canales distintos a la radiación (por ejemplo los electrones rápidos
de la cola de la distribución de Maxwell). El problema básico es que antes de
que el estrujamiento alcance la corriente mínima de Pease-Braginskij, el
estrujamiento regularmente se desintegra como consecuencia del desarrollo de
inestabilidades o se divide en varios estrujamientos de menor tamaño. La
posibilidad del colapso electromagnético, por lo tanto, permanece en la
actualidad abierta.

Traducción: Arturo Ortiz Tapia, 2005
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