Plasma (física)

Estado de la materia

Arriba: Los relámpagos y las luces de neón son generadores habituales de plasma. Centro izquierda: Un globo de plasma , que ilustra algunos de los fenómenos de plasma más complejos, incluida la filamentación. Centro derecha: Un rastro de plasma del transbordador espacial Atlantis durante su reingreso a la atmósfera de la Tierra , visto desde la Estación Espacial Internacional . Abajo izquierda: Un fuego en un fogón; los incendios pueden producir plasma si son lo suficientemente calientes. Abajo derecha: La corona del Sol vista desde un eclipse solar en Francia .

El plasma (del griego antiguo πλάσμα ( plásma )  'sustancia moldeable' ^[1] ) es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia (los otros tres son sólido , líquido y gas ) caracterizado por la presencia de una porción significativa de partículas cargadas en cualquier combinación de iones o electrones . Es la forma más abundante de materia ordinaria en el universo , principalmente en las estrellas (incluido el Sol ), pero también dominando el medio intracúmulo enrarecido y el medio intergaláctico . ^{[2] [3] [4] [5]} El plasma se puede generar artificialmente, por ejemplo, calentando un gas neutro o sometiéndolo a un fuerte campo electromagnético . ^[6]

La presencia de partículas cargadas hace que el plasma sea eléctricamente conductor , con la dinámica de partículas individuales y el movimiento macroscópico del plasma gobernados por campos electromagnéticos colectivos y muy sensibles a los campos aplicados externamente. ^[7] La ​​respuesta del plasma a los campos electromagnéticos se utiliza en muchos dispositivos y tecnologías modernas, como televisores de plasma o grabado de plasma . ^[8]

Dependiendo de la temperatura y la densidad, también puede estar presente una cierta cantidad de partículas neutras, en cuyo caso el plasma se llama parcialmente ionizado . Los letreros de neón y los relámpagos son ejemplos de plasmas parcialmente ionizados. ^[9] 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. ^[10] Si un grado dado de ionización es suficiente para llamar a una sustancia "plasma" depende del fenómeno específico que se esté considerando.

Historia temprana

Microcampos de plasma calculados mediante una simulación de N cuerpos . Nótese que los electrones se mueven rápidamente y los iones son lentos, parecidos a un fluido corporal .

El plasma fue identificado por primera vez en el laboratorio por Sir William Crookes . Crookes presentó una conferencia sobre lo que llamó "materia radiante" en la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia , en Sheffield, el viernes 22 de agosto de 1879. ^[11] Los estudios sistemáticos del plasma comenzaron con la investigación de Irving Langmuir y sus colegas en la década de 1920. Langmuir también introdujo el término "plasma" como descripción del gas ionizado en 1928: ^[12]

Excepto cerca de los electrodos, donde hay vainas que contienen muy pocos electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en cantidades aproximadamente iguales, de modo 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.

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 . ^{[13] [14]} Mott-Smith recuerda, en particular, que el transporte de electrones desde filamentos termoiónicos le recordó a Langmuir "la forma en que el plasma sanguíneo transporta glóbulos rojos y blancos y gérmenes". ^[15]

Definiciones

El cuarto estado de la materia

El plasma se denomina el cuarto estado de la materia después del sólido , el líquido y el gas . ^{[16] [17] [18]} Es un estado de la materia en el que una sustancia ionizada se vuelve altamente conductora de electricidad hasta el punto en que los campos eléctricos y magnéticos de largo alcance dominan su comportamiento. ^{[19] [20]}

El plasma es típicamente un medio eléctricamente casi neutro de partículas positivas y negativas no ligadas (es decir, la carga total de un plasma es aproximadamente cero). Aunque estas partículas no están ligadas, 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. ^{[21] [22]}

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

Plasma ideal

Tres factores definen un plasma ideal: ^{[24] [25]}

• Aproximación del plasma : La aproximación del plasma se aplica cuando el parámetro del plasma Λ, ^[26] que representa el número de portadores de carga dentro de la esfera de Debye es mucho mayor que la unidad. ^{[19] [20]} Se puede demostrar fácilmente que este criterio es equivalente a la pequeñez de la relación entre las densidades de energía electrostática y térmica del plasma. Dichos plasmas se denominan débilmente acoplados. ^[27]
• Interacciones en masa : la longitud de Debye es mucho menor que el tamaño físico del plasma. Este criterio significa que las interacciones en la masa del plasma son más importantes que las que se producen en sus bordes, donde pueden producirse efectos de límite. Cuando se cumple este criterio, el plasma es casi neutro. ^[28]
• Sin colisiones : la frecuencia del plasma electrónico (que mide las oscilaciones del plasma de los electrones) es mucho mayor que la frecuencia de colisión entre electrones y neutros. Cuando esta condición es válida, las interacciones electrostáticas dominan sobre los procesos de la cinética ordinaria de los gases. Estos plasmas se denominan sin colisiones. ^[29]

Plasma no neutro

La fuerza y ​​el alcance de la fuerza eléctrica y la buena conductividad de los plasmas suelen garantizar 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 de una sola especie, se denomina plasma no neutro . En un plasma de este tipo, los campos eléctricos desempeñan un papel dominante. Algunos ejemplos son los haces de partículas cargadas , una nube de electrones en una trampa de Penning y los plasmas de positrones. ^[30]

Plasma polvoriento

Un plasma polvoriento contiene partículas de polvo diminutas y cargadas (que se encuentran normalmente en el espacio). Las partículas de polvo adquieren cargas elevadas e interactúan entre sí. Un plasma que contiene partículas más grandes se denomina plasma granular. En condiciones de laboratorio, los plasmas polvorientos también se denominan plasmas complejos . ^[31]

Propiedades y parámetros

Representación artística de la fuente de plasma de la Tierra , que muestra iones de oxígeno, helio e hidrógeno que brotan al espacio desde regiones cercanas a los polos de la Tierra. La zona amarilla tenue que se muestra sobre el polo norte representa el gas que se pierde desde la Tierra hacia el espacio; la zona verde es la aurora boreal , donde la energía del plasma se vierte de nuevo a la atmósfera. ^[32]

Densidad y grado de ionización

Para que exista plasma es necesaria la ionización . El término "densidad de plasma" por sí solo suele referirse a la densidad electrónica , es decir, al número de electrones que aportan carga por unidad de volumen. El grado de ionización se define como la fracción de partículas neutras que están ionizadas: ${\displaystyle n_{e}}$ ${\displaystyle \alpha }$

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

donde es la densidad iónica y la densidad neutra (en número de partículas por unidad de volumen). En el caso de materia completamente ionizada, . Debido a la cuasineutralidad del plasma, las densidades de electrones y de iones están relacionadas por , donde es la carga iónica promedio (en unidades de la carga elemental ). ${\displaystyle n_{i}}$ ${\displaystyle n_{n}}$ ${\displaystyle \alpha =1}$ ${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$ ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$

Temperatura

La temperatura del plasma, que se mide habitualmente en kelvin o electronvoltios , es una medida de la energía cinética térmica por partícula. Normalmente se necesitan temperaturas altas 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 está dada por la ecuación de Saha . A bajas temperaturas, los iones y los electrones tienden a recombinarse en estados ligados (átomos ^[33] ) y el plasma acabará convirtiéndose en un 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 una maxwelliana incluso en presencia de campos eléctricos o magnéticos fuertes . Sin embargo, debido a la gran diferencia de masa entre electrones e iones, sus temperaturas pueden ser diferentes, a veces significativamente diferentes. Esto es especialmente común en plasmas tecnológicos débilmente ionizados, donde los iones a menudo están cerca de la temperatura ambiente mientras que los electrones alcanzan miles de kelvin. ^[34] El caso opuesto es el plasma z-pinch donde la temperatura de los iones puede superar la de los electrones. ^[35]

Potencial de plasma

Los rayos como ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra: normalmente, los rayos descargan 30 kiloamperios a hasta 100 megavoltios y emiten ondas de radio, luz, rayos X e incluso rayos gamma. ^[36] Las temperaturas del plasma pueden acercarse a los 30000 K y las densidades de electrones pueden superar los 10 ²⁴ m ⁻³ .

Como los plasmas son muy buenos conductores eléctricos , los potenciales eléctricos juegan un papel importante. ^{[ aclaración necesaria ]} El potencial promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de cómo se pueda medir, se llama "potencial de plasma" o "potencial espacial". Si se inserta un electrodo en un plasma, su potencial generalmente estará considerablemente por debajo del potencial de 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 del plasma ( ), pero en la escala de la longitud de Debye , puede haber 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. [37]} ${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$

La magnitud de los potenciales y los campos eléctricos se debe determinar por otros medios que no sean simplemente hallar la densidad de carga neta . Un ejemplo común es suponer que los electrones satisfacen la relación de Boltzmann : $${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

Diferenciar esta relación proporciona un medio para calcular el campo eléctrico a partir de la densidad: $${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

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

Magnetización

La existencia de partículas cargadas hace que el plasma genere y se vea afectado por campos magnéticos . 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 en promedio completa al menos un giro alrededor de la línea del campo magnético antes de hacer una colisión, es decir, , donde es la girofrecuencia del electrón y es la tasa de colisión de 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 él. 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 velocidad en el campo magnético viene dado por la fórmula habitual de Lorentz y no se ve afectado por el apantallamiento de Debye . ^[39] ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$ ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$ ${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$ ${\displaystyle \mathbf {v} }$ ${\displaystyle \mathbf {B} }$ ${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

Descripciones matemáticas

Las complejas líneas de campo magnético autoconstrictoras y trayectorias de corriente en una corriente de Birkeland alineada con el campo que pueden desarrollarse en un plasma. ^[40]

Para describir completamente el estado de un plasma, sería necesario escribir todas las posiciones y velocidades de las partículas que describen el campo electromagnético en la región del plasma. Sin embargo, por lo general no es práctico ni necesario llevar un registro de todas las partículas de un plasma. ^{[ cita requerida ]} Por lo tanto, los físicos del plasma suelen utilizar descripciones menos detalladas, de las cuales hay dos tipos principales:

Modelo de 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 del plasma ). Un modelo de fluido simple, la magnetohidrodinámica , trata el plasma como un fluido único 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, ^[41] 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 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 flujo único a una cierta temperatura en cada ubicación espacial, no pueden capturar estructuras espaciales de velocidad como vigas o capas dobles , ni resolver 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 necesitan 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. El otro, conocido como la técnica de partícula en celda (PIC), incluye información cinética al seguir las trayectorias de una gran cantidad de partículas individuales. Los modelos cinéticos generalmente requieren más recursos computacionales que los modelos de fluidos. La ecuación de Vlasov puede 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 estudiados por el vasto campo académico de la ciencia del plasma o física del plasma , que incluye varias subdisciplinas como la física del plasma espacial .

Los plasmas pueden aparecer en la naturaleza en diversas formas y ubicaciones, a continuación se muestran algunos ejemplos:

El espacio y la astrofísica

Los plasmas son, con mucho, la fase más común de la materia ordinaria en el universo, tanto por masa como por volumen. ^[42]

Por encima de la superficie de la Tierra, la ionosfera es un plasma, ^[43] y la magnetosfera contiene plasma. ^[44] Dentro de nuestro Sistema Solar, el espacio interplanetario está lleno del plasma expulsado a través del viento solar , que se extiende desde la superficie del Sol hasta la heliopausa . Además, todas las estrellas distantes y gran parte del espacio interestelar o intergaláctico también están llenos 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 . ^[45] El plasma está asociado con la eyección de material en chorros astrofísicos , que se han observado con agujeros negros en acreción ^{[46] o en} galaxias activas como el chorro de M87 que posiblemente se extiende hasta 5.000 años luz. ^[47]

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 entorno de laboratorio y para uso industrial se puede clasificar en general en:

• El tipo de fuente de energía utilizada para generar el plasma: CC, CA (normalmente 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: ionizado total, parcial o débilmente ^{[ cita requerida ]}
• Las relaciones de temperatura dentro del plasma: plasma térmico ( ), plasma no térmico o "frío" ( ) ^{[ cita requerida ]} ${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$ ${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$
• La configuración de electrodos 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 órbitas de Larmor por el campo magnético), parcialmente magnetizadas (los electrones, pero no los iones, quedan atrapados por el campo magnético), no magnetizadas (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 mediante 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 sostenerlo. ^[48] En este caso, el plasma se genera cuando se aplica una corriente eléctrica a través de un gas o fluido dieléctrico (un material no conductor de electricidad ), como se puede ver en la imagen adyacente, que muestra un tubo de descarga como un ejemplo simple ( se utiliza CC para simplificar). ^{[ cita requerida ]}

La diferencia de potencial y el campo eléctrico subsiguiente atraen a los electrones ligados (negativos) hacia el ánodo (electrodo positivo) mientras que el cátodo (electrodo negativo) atrae al núcleo. ^[49] A medida que aumenta el voltaje , la corriente tensiona el material (por polarización eléctrica ) más allá de su límite dieléctrico (denominado resistencia) hasta una etapa de ruptura eléctrica , marcada por una chispa eléctrica , donde el material se transforma de ser un aislante a un conductor (a medida que se ioniza cada vez más ). 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 en un átomo da como resultado un ion y dos electrones. Por lo tanto, el número de partículas cargadas aumenta rápidamente (en millones) solo "después de aproximadamente 20 conjuntos sucesivos de colisiones", ^[50] principalmente debido a un pequeño camino libre medio (distancia promedio recorrida entre colisiones). ^{[ cita requerida ]}

Arco voltaico

Proceso de ionización en cascada. Los electrones son "e−", los átomos neutros "o" y los cationes "+".

Efecto de avalancha entre dos electrodos. El evento de ionización original libera un electrón y cada colisión posterior libera otro electrón, por lo que de cada colisión surgen dos electrones: el electrón ionizante y el electrón liberado.

El arco eléctrico es una descarga eléctrica continua entre dos electrodos, similar a un rayo . Con una densidad de corriente amplia, la descarga forma un arco luminoso, donde el material entre electrodos (generalmente, un gas) pasa por varias etapas: saturación, ruptura, resplandor, transición y arco térmico. El voltaje aumenta hasta su máximo en la etapa de saturación y, a partir de entonces, sufre fluctuaciones en las distintas etapas, mientras que la corriente aumenta progresivamente a lo largo de todo el arco. ^[50] La resistencia eléctrica a lo largo del arco crea calor , que disocia más moléculas de gas e ioniza los átomos resultantes. Por lo tanto, la energía eléctrica se da a los electrones, que, debido a su gran movilidad y gran número, pueden dispersarla rápidamente mediante colisiones elásticas con las partículas pesadas. ^[51]

Ejemplos de plasma industrial

Los plasmas encuentran aplicaciones en muchos campos de investigación, tecnología e industria, por ejemplo, en metalurgia industrial y extractiva , ^{[51] [52]} tratamientos de superficie como pulverización de plasma (recubrimiento), grabado en microelectrónica, ^[53] corte de metales ^[54] y soldadura ; así como en la limpieza diaria de escapes de vehículos y lámparas fluorescentes / luminiscentes , ^[48] ignición de combustible e incluso en motores de combustión supersónicos para ingeniería aeroespacial . ^[55]

Descargas de baja presión

• Plasmas de descarga luminiscente : plasmas no térmicos generados mediante la aplicación de un campo eléctrico de CC o RF de baja frecuencia (<100 kHz) al espacio entre dos electrodos metálicos. Probablemente sea el plasma más común; este es el tipo de plasma generado dentro de los tubos de luz fluorescente . ^[56]
• Plasma acoplado capacitivamente (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 luminiscentes en que las vainas son mucho menos intensas. Se utilizan ampliamente en las industrias de microfabricación y fabricación de circuitos integrados para el grabado de plasma y la deposición química en fase de vapor mejorada con plasma. ^[57]
• Fuente de plasma de arco en cascada : un dispositivo para producir plasmas de alta densidad (HDP) de baja temperatura (≈1 eV).
• Plasma acoplado inductivamente (ICP) : similar a un CCP y con aplicaciones similares, pero el electrodo consiste en una bobina enrollada alrededor de la cámara donde se forma el plasma. ^[58]
• Plasma calentado por ondas : similar al CCP y al ICP en que normalmente es de radiofrecuencia (o microondas). Algunos ejemplos son la descarga de helicón y la resonancia ciclotrónica de electrones (ECR). ^[59]

Presión atmosférica

• Descarga de arco : se trata de una descarga térmica de alta potencia y muy alta temperatura (≈10.000 K). Puede generarse utilizando diversas fuentes de alimentación. Se utiliza habitualmente en procesos metalúrgicos . Por ejemplo, se utiliza para fundir minerales que contienen Al2O3 _{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 utiliza comúnmente en generadores 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 revestimiento no conductor impide la transición de la descarga de plasma a un arco. A menudo se la denomina erróneamente descarga "corona" en la industria y tiene una aplicación similar a las descargas corona. Un uso común de esta descarga es en un actuador de plasma para la reducción de la resistencia aerodinámica del vehículo. ^[60] También se utiliza ampliamente en el tratamiento de la banda de tejidos. ^[61] La aplicación de la descarga a tejidos sintéticos y plásticos funcionaliza la superficie y permite que se adhieran pinturas, pegamentos y materiales similares. ^[62] La descarga de barrera dieléctrica se utilizó a mediados de la década de 1990 para demostrar que el plasma de presión atmosférica a baja temperatura es eficaz para inactivar células bacterianas. ^[63] 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 que se propagan rápidamente, conocidas como balas de plasma. ^[64]
• Descarga capacitiva: se trata de un plasma no térmico generado por la aplicación de potencia de RF (p. ej., 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. Estas descargas se estabilizan comúnmente utilizando un gas noble como el helio o el argón. ^[65]
• " Plasma de descarga directa piezoeléctrica ": es un plasma no térmico generado en el lado alto de un transformador piezoeléctrico (PT). Esta variante de generación es particularmente adecuada para dispositivos compactos y de alta eficiencia en los que no se desea una fuente de alimentación de alto voltaje independiente. ^{[ cita requerida ]}

Convertidores MHD

En la década de 1960 se inició un esfuerzo mundial para estudiar los convertidores magnetohidrodinámicos con el fin de llevar la conversión de energía MHD al mercado 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 llevaron a cabo 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 de este tipo que se utilizan en la "tecnología de plasma" (plasmas "tecnológicos" o "de ingeniería") suelen ser gases débilmente ionizados en el sentido de que solo una pequeña fracción de las moléculas de gas están ionizadas. ^[66] Este tipo de gases débilmente ionizados también son plasmas "fríos" no térmicos. En presencia de campos magnéticos, el estudio de estos gases magnetizados no térmicos débilmente ionizados implica magnetohidrodinámica resistiva con bajo número de Reynolds magnético , un campo desafiante de la física del plasma donde los cálculos requieren tensores diádicos en un espacio de fase de 7 dimensiones . Cuando se utiliza en combinación con un parámetro Hall alto , un valor crítico desencadena la problemática inestabilidad electrotérmica que limitó estos desarrollos tecnológicos. ^{[ cita requerida ]}

Fenómenos plasmáticos complejos

Aunque las ecuaciones subyacentes que gobiernan los plasmas son relativamente simples, el comportamiento de los plasmas 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 no pueden describirse típicamente ni mediante funciones matemáticas simples y uniformes ni mediante la aleatoriedad pura. 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 una forma fractal . Muchas de estas características se estudiaron primero en el laboratorio y, posteriormente, se han reconocido en todo el universo. ^{[ cita requerida ]} Algunos ejemplos de complejidad y estructuras complejas en plasmas incluyen:

Filamentos

Las estrías o estructuras similares a cuerdas ^[67] se observan en muchos plasmas, como la bola de plasma , la aurora , ^[68] los relámpagos , ^[69] los arcos eléctricos , las erupciones solares , ^[70] y los restos de supernovas . ^[71] A veces se asocian con densidades de corriente mayores, y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética . ^[72] (Véase también Plasma pinch )

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 causa un índice de refracción más alto en el centro del haz láser, donde el láser es más brillante que en los bordes, lo que provoca una retroalimentación que enfoca el láser aún más. El láser más enfocado tiene un brillo máximo (irradiancia) más alto que forma un plasma. El plasma tiene un índice de refracción menor a uno y causa un desenfoque del haz láser. La interacción del índice de refracción de enfoque y el plasma desenfoque hace que se forme un filamento largo de plasma que puede tener una longitud de micrómetros a kilómetros. ^[73] Un aspecto interesante del plasma generado por filamentación es la densidad de iones relativamente baja debido a los efectos de desenfoque de los electrones ionizados. ^[74] (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 dirigido por Hannes Alfvén en los años 1960 y 1970 por sus posibles aplicaciones en el aislamiento del plasma de fusión de las paredes del reactor. ^[75] Sin embargo, más tarde se descubrió que los campos magnéticos externos en esta configuración podrían inducir inestabilidades de torsión en el plasma y, posteriormente, provocar una pérdida de calor inesperadamente alta hacia las paredes. ^[76]

En 2013, un grupo de científicos de materiales informó que habían generado con éxito un plasma impermeable estable sin confinamiento magnético utilizando únicamente una manta de gas frío a presión ultraalta. 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 en la síntesis de diferentes nanoestructuras sugirió claramente el confinamiento efectivo. También demostraron que al mantener la impermeabilidad durante unas pocas decenas de segundos, el apantallamiento 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 a la formación de nanomateriales complejos . ^[77]

Galería

• 
  Propulsor de efecto Hall
• Plasma solar
• 
  Pulverización de plasma
• 
  Plasma en un tokamak
• 
  Plasma de laboratorio

Véase también

• Portal de física

• Plasma de quarks y gluones

Referencias

1. Liddell, Henry George; Scott, Robert (1940). "πλάσμα". Un léxico griego-inglés . Clarendon Press . Consultado el 10 de febrero de 2023 .
2. Chu, PK; Lu, XinPel (2013). Tecnología de plasma de baja temperatura: métodos y aplicaciones . CRC Press. p. 3. ISBN 978-1-4665-0990-0.
3. Piel, A. (2010). Física del plasma: Introducción a los plasmas de laboratorio, espaciales y de fusión. Springer . págs. 4-5. ISBN 978-3-642-10491-6Archivado desde el original el 5 de enero de 2016.
4. Phillips, KJH (1995). Guía del sol. Cambridge University Press . pág. 295. ISBN 978-0-521-39788-9Archivado desde el original el 15 de enero de 2018.
5. Aschwanden, MJ (2004). Física de la corona solar. Una introducción . Praxis Publishing. ISBN 978-3-540-22321-4.
6. Chiuderi, C.; Velli, M. (2015). Fundamentos de la astrofísica del plasma . Springer . pág. 17. ISBN. 978-88-470-5280-2.
7. Morozov, AI (2012). Introducción a la dinámica del plasma . CRC Press. pág. 30. ISBN 978-1-4398-8132-3.
8. Chu, PK; Lu, XinPel (2013). Tecnología de plasma de baja temperatura: métodos y aplicaciones . CRC Press. ISBN 978-1-4665-0990-0.
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Enlaces externos

• Plasmas: el cuarto estado de la materia Archivado el 30 de septiembre de 2019 en Wayback Machine
• Introducción a la física del plasma: curso de posgrado impartido por Richard Fitzpatrick | MIT Introducción por IHHutchinson
• Interacción plasma-material
• Cómo hacer una bola de plasma luminosa en el microondas con una uva Archivado el 6 de septiembre de 2005 en Wayback Machine |Más (Video)
• OpenPIC3D: simulación tridimensional híbrida de dinámica de plasma mediante partículas en celdas
• Formulario de plasma interactivo