Plasma (estáu de la materia)

Les lluces de neón xeneren lluz gracies al plasma qu'hai nel so interior.

Una pista de 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 estáu 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]

El 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, el plasma nun tien una forma o volume definíu, sacantes que tea zarráu nun contenedor; pero a diferencia del gas nel que nun esisten efeutos coleutivos importantes, el 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]

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

Exemplos de plasmes

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

Dellos exemplos de plasmes son:^[6]

Formes comunes de plasma

Producíos artificialmente	Plasmes terrestres	Plasmes espaciales y astrofísicos:
Nes televisiones o monitores con pantalla de plasma. Nel interior de los tubos fluorescentes (llume de baxu consumu).[7] 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 de plasma.	Los rayos mientres una nube. El Fueu de San Telmo. La ionosfera. L'aurora boreal. Delles llapaes.[8] El vientu polar, una fonte de plasma.	El Sol y otres estrelles (Plasmes calecíos por fusión nuclear). Los vientos solares. El mediu interplanetariu (la materia ente los planetes del Sistema Solar), el mediu interestelar (la materia ente les estrelles) y el mediu intergaláctico (la materia ente les galaxes). Los discos de acrecimiento. Les nebuloses intergalácticas. Ambiplasma

Aplicaciones

Les LCF son exemplu d'aplicación del plasma.

La física de plasmes puede atopar aplicación en diverses árees:^[9]

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

Parámetros d'un plasma

Yá que esisten plasmes 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 presentes

El 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 plasmes 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.

Los plasmes 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).

Llargores

El llargor de Debye o de apantallamiento electromagnéticu.^[10] 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 de plasma

Según el llargor de Debye apurre una midida de los llargores tí${\displaystyle }$icos nun plasma, la frecuencia de plasma (

${\displaystyle }$

p {\displaystyle \omega _{p}} ) describe los sos tiempos carauterísticos.${\displaystyle }$ 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 de plasma. La frecuencia de plasma de los electrones ye:^[11]

${\displaystyle }$

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

Temperatura: velocidá térmica

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

Polo xeneral les partícules d'una determinada especie alcontraes nun puntu dau 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 incorreutu, falar tamién de velocidá térmica y de temperatura en plasmes lloñe 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:

${\displaystyle }$

El parámetru de plasma

El parámetru de plasma (

${\displaystyle }$

{${\displaystyle }$ } ) indica'l númberu mediu de partícules conteníes nuna esfera que'l so radiu ye'l llargor de Debye (esfera de Debye).${\displaystyle }$ La definición de 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 de plasma como ${\displaystyle }$

${\displaystyle }$ 1 {\displaystyle \Gamma \gg ${\displaystyle }$} .${\displaystyle }$^[12][13] Esto ye: hai un gran númberu de partícules conteníes nuna esfera de Debye. Ye común referise a esta desigualdá como "condición de plasma".

#Dellos autores adopten una definición inversa del parámetru de plasma (

${\displaystyle }$ = 1 /

${\displaystyle }$

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

{${\displaystyle }$} .${\displaystyle }$${\displaystyle }$^[14]

El parámetru de plasma de los electrones ye:

${\displaystyle }$

Modelos teóricos

En conociendo los valores de los parámetros descritos na seición anterior, l'estudiosu de los plasmes 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 tanto tán siempres n'equilibriu termodinámicu.

Yá que les fuercies electromagnétiques de llargu algame son dominantes, tou modelu de plasma va tar acopláu a les ecuaciones de Maxwell, que determinen los campos electromagnéticos a partir de les cargues y corrientes nel sistema.^[15]

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 discretos

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 ${\displaystyle }$u${\displaystyle }$ sistema de N {${\displaystyle }$} partícules habría que calcular del orde de N ${\displaystyle }$

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

Sicasí, gracies al calter coleutivu del plasma, reflexáu na condición de 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.^[16][17] 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, inxertaes 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 de plasmes a altes temperatures, nos que la velocidá térmica ye comparable al restu de velocidaes carauterístiques del sistema.

Modelos cinéticos continuos

Cuando la densidá de partícules del plasma ye abondo grande ye conveniente amenorgar la distribución de les mesmes a una función de distribución promediada.^[18] 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.^[19]

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 plasmes calientes.

Modelos de fluyíos o hidrodinámicos

Para plasmes 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 dau 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 tamién

• Estáu d'agregamientu de la materia
• Corte por plasma
• Llámpara de plasma
• Interacción plasma-paré
• Sólidu
• Líquidu
• Gas

Referencies

1. «Plasma». Consultáu'l 28 d'ochobre de 2011.
2. Serway, R.A.; Faughn, J.S. (2004).
3. Bittencourt, páxs. 1-2
4. Luo, Q-Z; D'Angelo, N; Merlino, R. L. (1998).
5. Sturrock, Peter A. (1994).
6. Plasma science and technology Archiváu 2015-05-09 en Wayback Machine (en inglés)
7. IPPEX Glossary of Fusion Terms Archiváu 2008-03-08 en Wayback Machine (en inglés) Consultáu'l 28 d'ochobre de 2011.
8. "Plasma and Flames – The Burning Question", (en inglés) Consultáu'l 8 November 2012
9. Chen, páxs. 13-16
10. Bittencourt, páxs. 7-8
11. Bittencourt, p. 10
12. Sturrock, páxs. 11-14
13. Chen, p. 11
14. Bittencourt, p. 9
15. Chen, páxs. 54-55
16. Büchner, J.; Dum, C.T. (2003).
17. Dawson, J.M. (1983).
18. Chen, p. 225
19. Chen, páxs. 230-236

Bibliografía

• Bittencourt, J.A. (2004). Fundamentals of plasma physics (n'inglés). Bittencourt, J.A. (2004). Fundamentals of plasma physics, Ilustrada, 3a (n'inglés), Springer, páx. 678. ISBN 9780387209753. Consultáu'l 28 d'ochobre de 2011.
• Chen, Francis F. (1984). Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion: Plasma physics (n'inglés) 1.[1] Chen, Francis F. (1984). Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion: Plasma physics, Ilustrada, reimpresa, 2a (n'inglés), Springer, páx. 421. ISBN 9780306413322. Consultáu'l 28 d'ochobre de 2011.
• Sturrock, P.A. (1994). Plasma physics: an introduction to the theory of astrophysical, geophysical, and laboratory plasmas (n'inglés).[2] Sturrock, P.A. (1994). Plasma physics: an introduction to the theory of astrophysical, geophysical, and laboratory plasmas, Ilustrada, 3a (n'inglés), Cambridge University Press, páx. 335. ISBN 9780521448109. Consultáu'l 28 d'ochobre de 2011.

Enllaces esternos

• Wikimedia Commons acueye conteníu multimedia sobre Plasma.