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Plasma (de griego antiguo πλάσμα  'sustancia moldeable' [1] ) es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia , primero estudiados sistemáticamente por Irving Langmuir en la década de 1920. [2] [3] Consiste en un gas de iones - átomos o moléculas que tienen uno o más electrones orbitales despojados (o, raramente, un electrón extra unido) y electrones libres .

El plasma se puede generar artificialmente calentando un gas neutro o sometiéndolo a un fuerte campo electromagnético . La presencia de partículas cargadas libres hace que el plasma sea eléctricamente conductor , con la dinámica de las partículas individuales y el movimiento macroscópico del plasma gobernado por campos electromagnéticos colectivos y muy sensible a los campos aplicados externamente. [4] La respuesta del plasma a los campos electromagnéticos se utiliza en muchos dispositivos tecnológicos modernos, como televisores de plasma o grabado con plasma . [5]

Dependiendo de la temperatura y la densidad, también puede estar presente una cierta cantidad de partículas neutras, en cuyo caso el plasma se denomina parcialmente ionizado . Los letreros de neón y los rayos son ejemplos de plasmas parcialmente ionizados. [6] A diferencia de las transiciones de fase entre los otros tres estados de la materia, la transición al plasma no está bien definida y es una cuestión de interpretación y contexto: [7] Si un determinado grado de ionización es suficiente para llamar a la sustancia "plasma" depende sobre un fenómeno específico que se está considerando. En otras palabras, el plasma es un asunto que no se puede describir correctamente sin tener en cuenta la presencia de partículas cargadas.

Excluyendo la materia oscura y la energía oscura aún más elusiva , el plasma es la forma más abundante de materia ordinaria en el universo . [8] El plasma se asocia principalmente con las estrellas , [9] incluido nuestro Sol , [10] [11] y se extiende al medio enrarecido intragrupos y posiblemente a las regiones intergalácticas . [12]

Historia temprana

Reproducir medios
Microcampos de plasma calculados mediante una simulación de N cuerpos . Tenga en cuenta los electrones de movimiento rápido y los iones lentos. Se parece a un fluido corporal , ¿no?

El plasma fue identificado por primera vez en laboratorio por Sir William Crookes . Crookes presentó una conferencia sobre lo que llamó "materia radiante" a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia , en Sheffield, el viernes 22 de agosto de 1879. [13] Sin embargo, los estudios sistemáticos del plasma comenzaron con la investigación de Irving Langmuir y su colegas en 1920. Langmuir también introdujo el término "plasma" como una descripción del gas ionizado en 1928:

" Excepto cerca de los electrodos, donde hay vainas que contienen muy pocos electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en números aproximadamente iguales, por lo que la carga espacial resultante es muy pequeña. Usaremos el nombre de plasma para describir esta región que contiene cargas equilibradas de iones y electrones " . [14]

Lewi Tonks y Harold Mott-Smith, quienes trabajaron con Langmuir en la década de 1920, recuerdan que Langmuir utilizó por primera vez el término por analogía con el plasma sanguíneo . [15] [16] Mott-Smith recuerda, en particular, que el transporte de electrones de los filamentos termoiónicos le recordó a Langmuir "la forma en que el plasma sanguíneo transporta los glóbulos rojos y blancos y los gérmenes". [17]

Definiciones

El cuarto estado de la materia

El plasma se llama el cuarto estado de la materia después de sólido , líquido y gas . [18] [19] [20] Es un estado de la materia en el que una sustancia ionizada se vuelve altamente conductora de electricidad hasta el punto de que campos eléctricos y magnéticos de largo alcance dominan su comportamiento. [21] [22]

El plasma es típicamente un medio eléctricamente casi neutro de partículas positivas y negativas no unidas (es decir, la carga total de un plasma es aproximadamente cero). Aunque estas partículas no están unidas, no son "libres" en el sentido de que no experimentan fuerzas. Las partículas cargadas en movimiento generan corrientes eléctricas, y cualquier movimiento de una partícula de plasma cargada afecta y es afectado por los campos creados por las otras cargas. A su vez, esto gobierna el comportamiento colectivo con muchos grados de variación. [23] [24]

El plasma es distinto de los otros estados de la materia. En particular, describir un plasma de baja densidad como simplemente un "gas ionizado" es incorrecto y engañoso, aunque es similar a la fase gaseosa en que ambos no asumen una forma o volumen definidos. La siguiente tabla resume algunas de las principales diferencias:

Plasma ideal

Tres factores definen un plasma ideal: [26] [27]

  • Aproximación de plasma : La aproximación de plasma se aplica cuando el parámetro de plasma Λ, [28] que representa el número de portadores de carga dentro de la esfera de Debye es mucho mayor que la unidad. [21] [22] Puede demostrarse fácilmente que este criterio es equivalente a la pequeñez de la relación entre las densidades de energía térmica y electrostática del plasma. Estos plasmas se denominan débilmente acoplados. [29]
  • Interacciones a granel : la longitud de Debye es mucho menor que el tamaño físico del plasma. Este criterio significa que las interacciones en la mayor parte del plasma son más importantes que aquellas en sus bordes, donde pueden tener lugar efectos de frontera. Cuando se satisface este criterio, el plasma es cuasineutral. [30]
  • Sin colisión : la frecuencia del plasma de electrones (que mide las oscilaciones de los electrones en el plasma ) es mucho mayor que la frecuencia de colisión entre electrones y neutros. Cuando esta condición es válida, las interacciones electrostáticas dominan los procesos de la cinética ordinaria de los gases. Estos plasmas se denominan sin colisiones. [31]

Plasma no neutro

La fuerza y ​​el rango de la fuerza eléctrica y la buena conductividad de los plasmas generalmente aseguran que las densidades de cargas positivas y negativas en cualquier región considerable sean iguales ("cuasineutralidad"). Un plasma con un exceso significativo de densidad de carga o, en el caso extremo, está compuesto por una sola especie, se denomina plasma no neutro . En tal plasma, los campos eléctricos juegan un papel dominante. Algunos ejemplos son los haces de partículas cargadas , una nube de electrones en una trampa de Penning y plasmas de positrones. [32]

Plasma polvoriento

Un plasma polvoriento contiene diminutas partículas cargadas de polvo (que normalmente se encuentran en el espacio). Las partículas de polvo adquieren altas cargas e interactúan entre sí. Un plasma que contiene partículas más grandes se llama plasma de grano. En condiciones de laboratorio, los plasmas polvorientos también se denominan plasmas complejos . [33]

Propiedades y parámetros

Interpretación artística de la fuente de plasma de la Tierra , que muestra iones de oxígeno, helio e hidrógeno que brotan en el espacio desde regiones cercanas a los polos de la Tierra. El área amarilla tenue que se muestra sobre el polo norte representa el gas perdido de la Tierra al espacio; el área verde es la aurora boreal , donde la energía del plasma vuelve a la atmósfera. [34]


Grado de ionización y densidad

Para que exista el plasma, es necesaria la ionización . El término "densidad del plasma" por sí mismo se refiere generalmente a la densidad de electrones , es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen. El grado de ionización se define como la fracción de partículas neutras que se ionizan:

,

donde es la densidad de iones y la densidad neutra (en número de partículas por unidad de volumen). En el caso de la materia totalmente ionizado, . Debido a la cuasineutralidad del plasma, las densidades de electrones e iones están relacionadas por , donde es la carga iónica promedio (en unidades de la carga elemental ).

La temperatura

La temperatura del plasma, comúnmente medida en kelvin o electronvoltios , es una medida de la energía cinética térmica por partícula. Por lo general, se necesitan altas temperaturas para mantener la ionización, que es una característica definitoria de un plasma. El grado de ionización del plasma está determinado por la temperatura del electrón en relación con la energía de ionización (y más débilmente por la densidad). En equilibrio térmico , la relación viene dada por la ecuación de Saha . A bajas temperaturas, los iones y electrones tienden a recombinarse en estados unidos (átomos [35]) y el plasma eventualmente se convertirá en gas.

En la mayoría de los casos, los electrones y las partículas de plasma pesadas (iones y átomos neutros) tienen por separado una temperatura relativamente bien definida; es decir, su función de distribución de energía es cercana a la de Maxwell incluso en presencia de fuertes campos eléctricos o magnéticos . Sin embargo, debido a la gran diferencia de masa entre electrones e iones, sus temperaturas pueden ser diferentes, a veces de manera significativa. Esto es especialmente común en plasmas tecnológicos débilmente ionizados, donde los iones suelen estar cerca de la temperatura ambiente mientras que los electrones alcanzan miles de kelvin. [ cita requerida ] El caso opuesto es el z-pinchplasma donde la temperatura de los iones puede exceder la de los electrones. [36]

Potencial de plasma

El rayo como ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra: normalmente, el rayo descarga 30 kiloamperios a hasta 100 megavoltios y emite ondas de radio, luz, rayos X e incluso rayos gamma. [37] Las temperaturas del plasma pueden acercarse a 30000 K y las densidades de electrones pueden superar los 10 24 m −3 .

Dado que los plasmas son muy buenos conductores eléctricos, los potenciales eléctricos juegan un papel importante. [se necesita aclaración ] El potencial promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de cómo se pueda medir, se denomina "potencial de plasma" o "potencial espacial". Si se inserta un electrodo en un plasma, su potencial generalmente estará considerablemente por debajo del potencial del plasma debido a lo que se denomina una vaina de Debye . La buena conductividad eléctrica de los plasmas hace que sus campos eléctricos sean muy pequeños. Esto da como resultado el importante concepto de "cuasineutralidad", que dice que la densidad de cargas negativas es aproximadamente igual a la densidad de cargas positivas en grandes volúmenes de plasma (), pero en la escala de la longitud de Debye puede haber un desequilibrio de carga. En el caso especial de que se formen capas dobles , la separación de carga puede extenderse algunas decenas de longitudes de Debye. [ cita requerida ]

La magnitud de los potenciales y campos eléctricos debe determinarse por otros medios además de simplemente encontrar la densidad de carga neta . Un ejemplo común es asumir que los electrones satisfacen la relación de Boltzmann :

Diferenciar esta relación proporciona un medio para calcular el campo eléctrico a partir de la densidad:

Es posible producir un plasma que no sea cuasineutral. Un haz de electrones, por ejemplo, solo tiene cargas negativas. La densidad de un plasma no neutro generalmente debe ser muy baja, o debe ser muy pequeña, de lo contrario, se disipará por la fuerza electrostática repulsiva . [38]

En los plasmas astrofísicos , el cribado Debye evita que los campos eléctricos afecten directamente al plasma a grandes distancias, es decir, mayores que la longitud Debye . Sin embargo, la existencia de partículas cargadas hace que el plasma genere y se vea afectado por campos magnéticos . Esto puede causar y causa un comportamiento extremadamente complejo, como la generación de capas dobles de plasma, un objeto que separa la carga en unas pocas decenas de longitudes de Debye . La dinámica de los plasmas que interactúan con campos magnéticos externos y autogenerados se estudia en la disciplina académica de la magnetohidrodinámica . [39]

Magnetización

Se dice que el plasma con un campo magnético lo suficientemente fuerte como para influir en el movimiento de las partículas cargadas está magnetizado. Un criterio cuantitativo común es que una partícula completa en promedio al menos un giro alrededor de la línea del campo magnético antes de hacer una colisión, es decir , dónde está la girofrecuencia de los electrones y la tasa de colisión de los electrones. A menudo ocurre que los electrones están magnetizados mientras que los iones no. Los plasmas magnetizados son anisotrópicos , lo que significa que sus propiedades en la dirección paralela al campo magnético son diferentes de las perpendiculares a este. Si bien los campos eléctricos en los plasmas suelen ser pequeños debido a la alta conductividad del plasma, el campo eléctrico asociado con un plasma que se mueve con velocidaden el campo magnético viene dado por la fórmula de Lorentz habitual y no se ve afectado por el blindaje de Debye . [40]

Descripciones matemáticas

Las complejas líneas de campo magnético autoconstrictoras y los caminos de la corriente en una corriente de Birkeland alineada con el campo que puede desarrollarse en un plasma. [41]

Para describir completamente el estado de un plasma, es necesario anotar todas las ubicaciones y velocidades de las partículas que describen el campo electromagnético en la región del plasma. Sin embargo, generalmente no es práctico ni necesario realizar un seguimiento de todas las partículas en un plasma. [ cita requerida ] Por lo tanto, los físicos del plasma comúnmente usan descripciones menos detalladas, de las cuales hay dos tipos principales:

Modelo fluido

Los modelos de fluidos describen los plasmas en términos de cantidades suavizadas, como la densidad y la velocidad promedio alrededor de cada posición (ver Parámetros de plasma ). Un modelo de fluido simple, la magnetohidrodinámica , trata el plasma como un solo fluido gobernado por una combinación de las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de Navier-Stokes . Una descripción más general es el plasma de dos fluidos, [42] donde los iones y electrones se describen por separado. Los modelos de fluidos suelen ser precisos cuando la colisión es lo suficientemente alta como para mantener la distribución de la velocidad del plasma cerca de una distribución de Maxwell-Boltzmann.. Debido a que los modelos de fluidos generalmente describen el plasma en términos de un solo flujo a una cierta temperatura en cada ubicación espacial, no pueden capturar estructuras espaciales de velocidad como haces o capas dobles , ni resolver los efectos onda-partícula. [ cita requerida ]

Modelo cinético

Los modelos cinéticos describen la función de distribución de la velocidad de las partículas en cada punto del plasma y, por lo tanto, no es necesario asumir una distribución de Maxwell-Boltzmann . A menudo es necesaria una descripción cinética para plasmas sin colisiones. Hay dos enfoques comunes para la descripción cinética de un plasma. Uno se basa en representar la función de distribución suavizada en una cuadrícula en velocidad y posición. La otra, conocida como técnica de partícula en celda (PIC), incluye información cinética siguiendo las trayectorias de una gran cantidad de partículas individuales. Los modelos cinéticos son generalmente más intensivos en computación que los modelos de fluidos. La ecuación de Vlasovpuede usarse para describir la dinámica de un sistema de partículas cargadas que interactúan con un campo electromagnético. En plasmas magnetizados, un enfoque girocinético puede reducir sustancialmente el gasto computacional de una simulación completamente cinética. [ cita requerida ]

Ciencia y tecnología del plasma

Los plasmas son objeto de estudio del campo académico de la ciencia del plasma o de la física del plasma , [43] incluidas subdisciplinas como la física del plasma espacial . Actualmente involucra los siguientes campos de investigación activa y características en muchas revistas , cuyo interés incluye:

Los plasmas pueden aparecer en la naturaleza en diversas formas y ubicaciones, que se pueden resumir de manera útil en la siguiente tabla:

Espacio y astrofísica

Los plasmas son, con mucho, la fase más común de la materia ordinaria en el universo, tanto en masa como en volumen. [48]

Sobre la superficie de la Tierra, la ionosfera es un plasma, [49] y la magnetosfera contiene plasma. [50] Dentro de nuestro Sistema Solar, el espacio interplanetario se llena con el plasma expulsado a través del viento solar , que se extiende desde la superficie del Sol hasta la heliopausa . Además, es probable que todas las estrellas distantes y gran parte del espacio interestelar o intergaláctico también estén llenas de plasma, aunque a densidades muy bajas. Los plasmas astrofísicos también se observan en discos de acreción alrededor de estrellas u objetos compactos como enanas blancas , estrellas de neutrones., o agujeros negros en sistemas estelares binarios cercanos . [51] El plasma está asociado con la expulsión de material en chorros astrofísicos , que se han observado con la acumulación de agujeros negros [52] o en galaxias activas como el chorro de M87 que posiblemente se extiende hasta 5.000 años luz. [53]

Plasmas artificiales

La mayoría de los plasmas artificiales se generan mediante la aplicación de campos eléctricos y / o magnéticos a través de un gas. El plasma generado en un laboratorio y para uso industrial se puede clasificar generalmente por:

  • El tipo de fuente de energía utilizada para generar el plasma: CC, CA (generalmente con radiofrecuencia ( RF )) y microondas [ cita requerida ]
  • La presión a la que operan: presión de vacío (<10 mTorr o 1 Pa), presión moderada (≈1 Torr o 100 Pa), presión atmosférica (760 Torr o 100 kPa) [ cita requerida ]
  • El grado de ionización dentro del plasma: total, parcial o débilmente ionizado [ cita requerida ]
  • Las relaciones de temperatura dentro del plasma: plasma térmico ( ), plasma no térmico o "frío" ( ) [ cita requerida ]
  • La configuración del electrodo utilizada para generar el plasma [ cita requerida ]
  • La magnetización de las partículas dentro del plasma: magnetizadas (tanto los iones como los electrones quedan atrapados en las órbitas de Larmor por el campo magnético), parcialmente magnetizadas (los electrones pero no los iones quedan atrapados por el campo magnético), no magnetizados (el campo magnético es demasiado débil para atrapar las partículas en órbitas pero puede generar fuerzas de Lorentz ) [ cita requerida ]

Generación de plasma artificial

Plasma artificial producido en el aire por una escalera de Jacob

Al igual que los muchos usos del plasma, existen varios medios para su generación. Sin embargo, un principio es común a todos ellos: debe haber un aporte de energía para producirlo y mantenerlo. [54] Para este caso, el plasma se genera cuando se aplica una corriente eléctrica a través de un gas o fluido dieléctrico (un material eléctricamente no conductor ) como se puede ver en la imagen adyacente, que muestra un tubo de descarga como un ejemplo simple ( DC utilizado por simplicidad). [ cita requerida ]

La diferencia de potencial y el campo eléctrico subsiguiente tiran de los electrones ligados (negativos) hacia el ánodo (electrodo positivo) mientras que el cátodo (electrodo negativo) tira del núcleo. [55] A medida que aumenta el voltaje , la corriente tensiona el material (por polarización eléctrica ) más allá de su límite dieléctrico (llamado fuerza) en una etapa de ruptura eléctrica , marcada por una chispa eléctrica , donde el material se transforma de un aislante a un conductor. (a medida que se vuelve cada vez más ionizado). El proceso subyacente es la avalancha de Townsend , donde las colisiones entre electrones y átomos de gas neutro crean más iones y electrones (como se puede ver en la figura de la derecha). El primer impacto de un electrón sobre un átomo da como resultado un ion y dos electrones. Por lo tanto, el número de partículas cargadas aumenta rápidamente (en millones) sólo "después de unos 20 conjuntos sucesivos de colisiones", [56] principalmente debido a una pequeña trayectoria libre media (distancia media recorrida entre colisiones). [ cita requerida ]

Arco eléctrico
Proceso en cascada de ionización. Los electrones son "e-", átomos neutros "o" y cationes "+".
Efecto avalancha entre dos electrodos. El evento de ionización original libera un electrón, y cada colisión subsiguiente libera un electrón adicional, por lo que dos electrones emergen de cada colisión: el electrón ionizante y el electrón liberado.

[ cita requerida ]

Con una amplia densidad de corriente e ionización, esto forma un arco eléctrico luminoso (una descarga eléctrica continua similar a un rayo ) entre los electrodos. [Nota 1] La resistencia eléctrica a lo largo del arco eléctrico continuo crea calor , que disocia más moléculas de gas e ioniza los átomos resultantes (donde el grado de ionización está determinado por la temperatura), y según la secuencia: sólido - líquido - gas - plasma, el el gas se convierte gradualmente en un plasma térmico. [Nota 2] Un plasma térmico está en equilibrio térmico., lo que quiere decir que la temperatura es relativamente homogénea en todas las partículas pesadas (es decir, átomos, moléculas e iones) y electrones. Esto es así porque cuando se generan plasmas térmicos, se da energía eléctrica a los electrones, que por su gran movilidad y gran número son capaces de dispersarla rápidamente y por colisión elástica (sin pérdida de energía) con las partículas pesadas. [57] [Nota 3]

Ejemplos de plasma industrial / comercial

Debido a sus considerables rangos de temperatura y densidad, los plasmas encuentran aplicaciones en muchos campos de investigación, tecnología e industria. Por ejemplo, en: metalurgia industrial y extractiva , [57] [58] tratamientos superficiales tales como proyección de plasma (recubrimiento), grabado en microelectrónica, [59] corte de metales [60] y soldadura ; así como en la limpieza diaria de gases de escape de vehículos y lámparas fluorescentes / luminiscentes , [54] encendido de combustible, mientras que incluso juega un papel en motores de combustión supersónicos para ingeniería aeroespacial. [61]

Descargas de baja presión
  • Plasmas de descarga luminiscente : plasmas no térmicos generados por la aplicación de un campo eléctrico de CC o RF de baja frecuencia (<100 kHz) al espacio entre dos electrodos metálicos. Probablemente el plasma más común; este es el tipo de plasma que se genera dentro de los tubos de luz fluorescente . [62]
  • Plasma de acoplamiento capacitivo (CCP) : similar a los plasmas de descarga luminiscente, pero generado con campos eléctricos de RF de alta frecuencia, típicamente 13,56 MHz . Se diferencian de las descargas luminosas en que las vainas son mucho menos intensas. Estos se utilizan ampliamente en las industrias de fabricación de circuitos integrados y de microfabricación para el grabado con plasma y la deposición de vapor químico mejorada con plasma. [63]
  • Fuente de plasma de arco en cascada : un dispositivo para producir plasmas de alta densidad (HDP) a baja temperatura (≈1eV).
  • Plasma acoplado inductivamente (ICP) : similar a un CCP y con aplicaciones similares, pero el electrodo consiste en una bobina envuelta alrededor de la cámara donde se forma el plasma. [64]
  • Plasma calentado por ondas : similar a CCP e ICP en que normalmente es RF (o microondas). Los ejemplos incluyen la descarga de helicones y la resonancia ciclotrónica de electrones (ECR). [sesenta y cinco]
Presión atmosférica
  • Descarga de arco : se trata de una descarga térmica de alta potencia de muy alta temperatura (≈10.000 K). Se puede generar utilizando varias fuentes de alimentación. Se usa comúnmente enprocesos metalúrgicos . Por ejemplo, se utiliza para fundir minerales que contienen Al 2 O 3 para producir aluminio . [ cita requerida ]
  • Descarga de corona : es una descarga no térmica generada por la aplicación de alto voltaje a las puntas afiladas de los electrodos. Se usa comúnmente engeneradores de ozono y precipitadores de partículas. [ cita requerida ]
  • Descarga de barrera dieléctrica (DBD): se trata de una descarga no térmica generada por la aplicación de altos voltajes a través de pequeños espacios en los que un recubrimiento no conductor evita la transición de la descarga de plasma a un arco. A menudo se etiqueta erróneamente como descarga de 'Corona' en la industria y tiene una aplicación similar a las descargas de corona. Un uso común de esta descarga es en un actuador de plasma para la reducción de la resistencia del vehículo. [66] También se utiliza ampliamente en el tratamiento de bandas de tejidos. [67] La aplicación de la descarga a tejidos sintéticos y plásticos funcionaliza la superficie y permite que se adhieran pinturas, colas y materiales similares. [68]La descarga de la barrera dieléctrica se utilizó a mediados de la década de 1990 para demostrar que el plasma a presión atmosférica a baja temperatura es eficaz para inactivar las células bacterianas. [69] Este trabajo y experimentos posteriores con células de mamíferos llevaron al establecimiento de un nuevo campo de investigación conocido como medicina del plasma . La configuración de descarga de barrera dieléctrica también se utilizó en el diseño de chorros de plasma de baja temperatura. Estos chorros de plasma se producen mediante ondas de ionización guiadas de propagación rápida conocidas como balas de plasma. [70]
  • Descarga capacitiva : es un plasma no térmico generado por la aplicación de potencia de RF (por ejemplo, 13,56 MHz ) a un electrodo alimentado, con un electrodo conectado a tierra mantenido a una pequeña distancia de separación del orden de 1 cm. Tales descargas se estabilizan comúnmente usando un gas noble como helio o argón. [71]
  • " Plasma piezoeléctrico de descarga directa :" es un plasma no térmico generado en el lado alto de un transformador piezoeléctrico (PT). Esta variante de generación es especialmente adecuada para dispositivos compactos y de alta eficiencia en los que no se desea una fuente de alimentación de alto voltaje separada. [ cita requerida ]

Convertidores MHD

En la década de 1960 se inició un esfuerzo mundial para estudiar los convertidores magnetohidrodinámicos con el fin de llevar al mercado la conversión de energía MHD con plantas de energía comerciales de un nuevo tipo, convirtiendo la energía cinética de un plasma de alta velocidad en electricidad sin partes móviles con una alta eficiencia . También se realizaron investigaciones en el campo de la aerodinámica supersónica e hipersónica para estudiar la interacción del plasma con los campos magnéticos para lograr eventualmente un control de flujo pasivo e incluso activo alrededor de vehículos o proyectiles, con el fin de suavizar y mitigar las ondas de choque , disminuir la transferencia térmica y reducir la resistencia . [cita requerida ]

Los gases ionizados que se utilizan en la "tecnología del plasma" (plasmas "tecnológicos" o "diseñados") suelen ser gases ionizados débilmente, en el sentido de que sólo se ioniza una pequeña fracción de las moléculas de gas. [72] Este tipo de gases débilmente ionizados también son plasmas "fríos" no térmicos. En presencia de campos magnéticos, el estudio de tales gases magnetizados no térmicos débilmente ionizados implica magnetohidrodinámica resistiva con un número de Reynolds magnético bajo , un campo desafiante de la física del plasma donde los cálculos requieren tensores diádicos en un espacio de fase de 7 dimensiones . Cuando se usa en combinación con un parámetro Hall alto ,un valor crítico desencadena la problemáticainestabilidad electrotérmica que limitó estos desarrollos tecnológicos. [ cita requerida ]

Fenómenos plasmáticos complejos

Aunque las ecuaciones subyacentes que gobiernan los plasmas son relativamente simples, el comportamiento del plasma es extraordinariamente variado y sutil: la aparición de un comportamiento inesperado a partir de un modelo simple es una característica típica de un sistema complejo . Dichos sistemas se encuentran, en cierto sentido, en el límite entre el comportamiento ordenado y desordenado y, por lo general, no pueden describirse mediante funciones matemáticas simples y uniformes, ni por pura aleatoriedad. La formación espontánea de características espaciales interesantes en una amplia gama de escalas de longitud es una manifestación de la complejidad del plasma. Las características son interesantes, por ejemplo, porque son muy nítidas, espacialmente intermitentes (la distancia entre las características es mucho mayor que las características mismas) o tienen un fractalformulario. Muchas de estas características se estudiaron por primera vez en el laboratorio y, posteriormente, se han reconocido en todo el universo. [ cita requerida ] Ejemplos de complejidad y estructuras complejas en plasmas incluyen:

Filamentacion

Las estrías o estructuras en forma de cuerda, [73] también conocidas como corrientes de Birkeland , se ven en muchos plasmas, como la bola de plasma , la aurora , [74] relámpagos , [75] arcos eléctricos , erupciones solares , [76] y remanentes de supernovas. . [77] A veces se asocian con densidades de corriente más grandes, y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética . [78] La ruptura de microondas de alta potencia a presión atmosférica también conduce a la formación de estructuras filamentosas. [79] (Véase tambiénPizca de plasma )

La filamentación también se refiere al autoenfoque de un pulso láser de alta potencia. A altas potencias, la parte no lineal del índice de refracción se vuelve importante y provoca un mayor índice de refracción en el centro del rayo láser, donde el láser es más brillante que en los bordes, provocando una retroalimentación que enfoca aún más el láser. El láser enfocado con más precisión tiene un brillo máximo (irradiancia) más alto que forma un plasma. El plasma tiene un índice de refracción inferior a uno y provoca un desenfoque del rayo láser. La interacción del índice de refracción de enfoque y el plasma desenfocado hace que se forme un largo filamento de plasma que puede tener de micrómetros a kilómetros de longitud. [80]Un aspecto interesante del plasma generado por filamentación es la densidad iónica relativamente baja debido a los efectos de desenfoque de los electrones ionizados. [81] (Véase también Propagación de filamentos )

Plasma impermeable

El plasma impermeable es un tipo de plasma térmico que actúa como un sólido impermeable con respecto al gas o al plasma frío y puede ser empujado físicamente. La interacción del gas frío y el plasma térmico fue estudiada brevemente por un grupo liderado por Hannes Alfvén en las décadas de 1960 y 1970 por sus posibles aplicaciones en el aislamiento de plasma de fusión de las paredes del reactor. [82] Sin embargo, más tarde se descubrió que los campos magnéticos externos en esta configuración podían inducir inestabilidades de torsión en el plasma y, posteriormente, provocar una pérdida de calor inesperadamente alta en las paredes. [83] En 2013, un grupo de científicos de materiales informó que han generado con éxito plasma impermeable estable sinconfinamiento magnético utilizando sólo una capa de gas frío de ultra alta presión. Si bien se afirmó que los datos espectroscópicos sobre las características del plasma eran difíciles de obtener debido a la alta presión, el efecto pasivo del plasma sobre la síntesis de diferentes nanoestructuras sugirió claramente el confinamiento efectivo. También demostraron que al mantener la impermeabilidad durante unas pocas decenas de segundos, el filtrado de iones en la interfaz plasma-gas podría dar lugar a un fuerte modo secundario de calentamiento (conocido como calentamiento viscoso) que conduce a diferentes cinéticas de reacciones y formación de complejos. nanomateriales . [84]

Galería

  • Propulsor de efecto Hall . El campo eléctrico en una doble capa de plasma es tan eficaz para acelerar los iones que los campos eléctricos se utilizan en los impulsores de iones .

  • Reproducir medios

    Plasma solar

  • Pulverización de plasma

  • Plasma Tokamak en la investigación de la fusión nuclear

  • Plasma de argón en el experimento de magnetización lineal Hawkeye (HLMX) en la Universidad de Iowa

Ver también

  • Antorcha de plasma
  • Difusión ambipolar
  • Premio Hannes Alfvén
  • Canal de plasma
  • Parámetros de plasma
  • Nitruración por plasma
  • Magnetohidrodinámica (MHD)
  • Convertidor magnetohidrodinámico
  • Propulsión de naves espaciales con propulsión eléctrica
  • Motor de propulsión de plasma
  • Cribado de campo eléctrico
  • Lista de físicos del plasma
  • Lista de artículos de física del plasma
  • Publicaciones importantes en física del plasma
  • Sociedad de Ciencias del Plasma y Nucleares del IEEE
  • LULI
  • Plasma de quark-gluón
  • Nikola Tesla
  • Física espacial
  • Contenido total de electrones
  • Pantalla de plasma
  • Aurora

Notas

  1. ^ El material se somete a varios "regímenes" o etapas (por ejemplo, saturación, ruptura, brillo, transición y arco térmico) a medida que aumenta el voltaje bajo la relación voltaje-corriente. El voltaje sube a su valor máximo en la etapa de saturación, y luego sufre fluctuaciones de las distintas etapas; mientras que la corriente aumenta progresivamente a lo largo. [56]
  2. En la literatura, no parece haber una definición estricta sobre dónde está el límite entre un gas y un plasma. Sin embargo, es suficiente decir que a 2.000 ° C las moléculas de gas se atomizan y se ionizan a 3.000 ° C y "en este estado, [el] gas tiene una viscosidad líquida a presión atmosférica y las cargas eléctricas libres confieren relativamente altas conductividades eléctricas que pueden acercarse a las de los metales ". [57]
  3. ^ Tenga en cuenta que los plasmas no térmicos o que no están en equilibrio no están tan ionizados y tienen densidades de energía más bajas y, por lo tanto, la temperatura no se dispersa uniformemente entre las partículas, donde algunas pesadas permanecen "frías".

Referencias

  1. ^ πλάσμα Archivado el 18 de junio de 2013 en la Wayback Machine , Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek English Lexicon , sobre Perseo
  2. ^ Goldston, RJ; Rutherford, PH (1995). Introducción a la física del plasma . Taylor y Francis. pag. 1-2. ISBN 978-0-7503-0183-1.
  3. ^ Morozov, AI (2012). Introducción a la dinámica del plasma . Prensa CRC. pag. 17. ISBN 978-1-4398-8132-3.
  4. ^ Morozov, AI (2012). Introducción a la dinámica del plasma . Prensa CRC. pag. 30. ISBN 978-1-4398-8132-3.
  5. ^ Chu, PK; Lu, XinPel (2013). Tecnología de plasma de baja temperatura: métodos y aplicaciones . Prensa CRC. ISBN 978-1-4665-0990-0.
  6. ^ "Cómo funciona el rayo" . Como funcionan las cosas. Abril de 2000. Archivado desde el original el 7 de abril de 2014.
  7. ^ Morozov, AI (2012). Introducción a la dinámica del plasma . Prensa CRC. pag. 4-5. ISBN 978-1-4398-8132-3.
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enlaces externos

  • Plasmas: el cuarto estado de la materia
  • Introducción a la Física del Plasma: Curso de posgrado impartido por Richard Fitzpatrick | Introducción al MIT por IHHutchinson
  • Interacción del material plasmático
  • Cómo hacer una bola de plasma brillante en tu microondas con una uva | Más (video)
  • OpenPIC3D: simulación híbrida 3D de partículas en células de la dinámica del plasma
  • Formulario interactivo de plasma