Plasma (física)

Estado de la materia

Arriba: Los rayos y las luces de neón son generadores de plasma habituales. Abajo a la izquierda: un globo de plasma que ilustra algunos de los fenómenos del plasma más complejos, incluida la filamentación. Abajo a la derecha: un rastro de plasma del transbordador espacial Atlantis durante su reingreso a la atmósfera de la Tierra , visto desde la Estación Espacial Internacional .

El plasma (del griego antiguo πλάσμα ( plásma )  'sustancia moldeable') es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia (los otros tres son sólido , líquido y gaseoso ) caracterizado por la presencia de una porción significativa de partículas cargadas en cualquier combinación de iones. o electrones . ^[1] Es la forma más abundante de materia ordinaria en el universo , principalmente en las estrellas (incluido el Sol ), pero también domina el medio enrarecido intracúmulo 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 las partículas individuales y el movimiento macroscópico del plasma gobernado por campos electromagnéticos colectivos y muy sensible a los campos aplicados externamente. ^[7] La ​​respuesta del plasma a los campos electromagnéticos se utiliza en muchos dispositivos y tecnologías modernos, como los televisores de plasma o el grabado con plasma . ^[8]

Dependiendo de la temperatura y la densidad, también puede estar presente un cierto número de partículas neutras, en cuyo caso se denomina plasma 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 determinado grado de ionización es suficiente para llamar "plasma" a una sustancia depende del fenómeno específico que se considere.

Historia temprana

" Microcampos de plasma calculados mediante una simulación de N cuerpos ". Observe los electrones que se mueven rápidamente y los iones lentos, que se asemejan 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" ante 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 las investigaciones 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 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 corpúsculos y gérmenes rojos y blancos". ^[15]

Definiciones

El cuarto estado de la materia.

Se denomina plasma al 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 eléctricamente hasta el punto de que campos eléctricos y magnéticos de largo alcance dominan su comportamiento. ^{[19] [20]}

El plasma suele ser un medio eléctricamente casi neutro de partículas positivas y negativas libres (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 rige el comportamiento colectivo con muchos grados de variación. ^{[21] [22]}

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 el sentido de que ambos no asumen forma ni volumen definidos. La siguiente tabla resume algunas diferencias principales:

plasma ideal

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

• La 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. Estos plasmas se denominan débilmente acoplados. ^[27]
• Interacciones masivas : 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 cumple este criterio, el plasma es cuasineutral. ^[28]
• Ausencia de colisiones : la frecuencia del plasma de electrones (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 de los gases ordinarios. Estos plasmas se denominan sin colisiones. ^[29]

Plasma no neutro

La intensidad 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 por una sola especie, se denomina plasma no neutro . En dicho plasma, 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 pequeñas partículas de polvo cargadas (que normalmente se encuentran en el espacio). Las partículas de polvo adquieren cargas elevadas 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 . ^[31]

Propiedades y parámetros

Representación artística de la fuente de plasma de la Tierra , que muestra iones de oxígeno, helio e hidrógeno que brotan hacia 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 desde la Tierra hacia el espacio; el área verde es la aurora boreal , donde la energía del plasma regresa a la atmósfera. ^[32]

Grado de densidad y ionización.

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

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

¿Dónde está 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 e 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, comúnmente medida en kelvin o electronvoltios , es una medida de la energía cinética térmica por partícula. Generalmente 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 los electrones tienden a recombinarse en estados unidos (átomos ^[33] ) y el plasma eventualmente se convertirá en gas.

En la mayoría de los casos, los electrones y las partículas pesadas del plasma (iones y átomos neutros) tienen por separado una temperatura relativamente bien definida; es decir, su función de distribución de energía es cercana a la maxwelliana 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 significativamente. 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 grados Kelvin. ^[34] El caso opuesto es el plasma z-pinch donde la temperatura de los iones puede exceder la de los electrones. ^[35]

Potencial plasmático

Los rayos como ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra: normalmente, los rayos descargan 30 kiloamperios hasta 100 megavoltios y emiten ondas de radio, luz, rayos X e incluso rayos gamma. ^[36] Las temperaturas del plasma pueden acercarse a los 30 000 K y las densidades de electrones pueden exceder los 10 ²⁴ m ⁻³ .

Dado que los plasmas son muy buenos conductores eléctricos , los potenciales eléctricos desempeñan un papel importante. ^{[ se necesita aclaración ]} El potencial promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de cómo se pueda medir, se llama "potencial plasmático" 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 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 cargas puede extenderse a algunas decenas de longitudes de Debye. ^[37] ${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$

La magnitud de los potenciales y campos eléctricos debe determinarse por medios distintos a la simple búsqueda de 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 cuasineutral. Un haz de electrones, por ejemplo, sólo tiene cargas negativas. La densidad de un plasma no neutro generalmente debe ser muy baja o debe ser muy pequeña, de lo contrario será disipada 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, complete al menos un giro alrededor de la línea del campo magnético antes de realizar una colisión, es decir, donde está la girofrecuencia del electrón y es la velocidad de colisión del electrón. A menudo ocurre que los electrones están magnetizados mientras que los iones no. Los plasmas magnetizados son anisótropos , es decir, sus propiedades en la dirección paralela al campo magnético son diferentes a las perpendiculares a éste. 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 blindaje 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 las 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 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 de un plasma. ^{[ cita necesaria ]} Por lo tanto, los físicos del plasma suelen utilizar descripciones menos detalladas, de las cuales existen 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 (consulte 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 los 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 flujo único a una determinada temperatura en cada ubicación espacial, no pueden capturar estructuras espaciales de velocidad como haces o capas dobles , ni resolver efectos onda-partícula. ^{[ cita necesaria ]}

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 de los 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 generalmente requieren más cálculos computacionales que los modelos de fluidos. La ecuación de Vlasov se puede utilizar 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 totalmente cinética. ^{[ cita necesaria ]}

Ciencia y tecnología del plasma.

Los plasmas son estudiados por el vasto campo académico de la ciencia del plasma o física del plasma , incluidas varias subdisciplinas como la física del plasma espacial .

Los plasmas pueden aparecer en la naturaleza en diversas formas y ubicaciones, y en la siguiente tabla se dan algunos ejemplos:

Espacio y astrofísica

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

Sobre 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 se llena con el 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 en 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 laboratorio y para uso industrial se puede clasificar generalmente en:

• El tipo de fuente de energía utilizada para generar el plasma: CC, CA (generalmente con radiofrecuencia (RF)) y microondas ^{[ cita necesaria ]}
• 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 necesaria ]}
• El grado de ionización dentro del plasma: total, parcial o débilmente ionizado ^{[ cita necesaria ]}
• Las relaciones de temperatura dentro del plasma: plasma térmico ( ), plasma no térmico o "frío" ( ) ^{[ cita necesaria ]} ${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$ ${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$
• La configuración del electrodo utilizada para generar el plasma ^{[ cita necesaria ]}
• 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 magnetizadas (el campo magnético es demasiado débil para atrapar las partículas en órbitas pero puede generar fuerzas de Lorentz ) ^{[ cita necesaria ]}

Generación de plasma artificial

Plasma artificial producido en el aire por una escalera de Jacob

Al igual que los múltiples 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 producirla y sostenerla. ^[48] ​​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 ejemplo simple ( DC utilizado por simplicidad). ^{[ cita necesaria ]}

La diferencia de potencial y el campo eléctrico subsiguiente atraen los electrones unidos (negativos) hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que el cátodo (electrodo negativo) atrae el núcleo. ^[49] A medida que aumenta el voltaje , la corriente tensiona el material (por polarización eléctrica ) más allá de su límite dieléctrico (denominado resistencia) 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 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 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 aproximadamente 20 series sucesivas de colisiones", ^[50] debido principalmente a un pequeño camino libre medio (distancia promedio recorrida entre colisiones). ^{[ cita necesaria ]}

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 posterior libera un electrón adicional, por lo que de cada colisión emergen dos electrones: el electrón ionizante y el electrón liberado.

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

Ejemplos de plasma industrial

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

Descargas de baja presión

• Plasmas de descarga incandescente : 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 generado dentro de los tubos de luz fluorescente . ^[56]
• Plasma acoplado capacitivamente (CCP) : similar a los plasmas de descarga luminosa, pero generado con campos eléctricos de RF de alta frecuencia, normalmente 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 microfabricación y fabricación de circuitos integrados para el grabado con plasma y la deposición química 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 (≈1eV).
• 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 a CCP e ICP en que normalmente es RF (o microondas). Los ejemplos incluyen la descarga de helicón y la resonancia ciclotrón de electrones (ECR). ^[59]

Presión atmosférica

• Descarga de arco : se trata de una descarga térmica de alta potencia y temperatura muy elevada (≈10.000 K). Se puede generar utilizando varias fuentes de alimentación. Se utiliza comúnmente en procesos metalúrgicos . Por ejemplo, se utiliza para fundir minerales que contienen Al ₂ O ₃ para producir aluminio . ^{[ cita necesaria ]}
• Descarga corona : se trata de una descarga no térmica generada por la aplicación de alto voltaje a puntas afiladas de electrodos. Se utiliza habitualmente en generadores de ozono y precipitadores de partículas. ^{[ cita necesaria ]}
• Descarga de barrera dieléctrica (DBD): es 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 la denomina erróneamente descarga "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 reducir la resistencia del vehículo. ^[60] También se utiliza ampliamente en el tratamiento de la red 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 a baja temperatura y presión atmosférica es eficaz para inactivar las células bacterianas. ^[63] Este trabajo y experimentos posteriores utilizando 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 rápida propagación conocidas como balas de plasma. ^[64]
• Descarga capacitiva: se trata de un plasma no térmico generado por la aplicación de potencia de RF (por ejemplo, 13,56 MHz ) a un electrodo encendido, con un electrodo conectado a tierra mantenido a una pequeña distancia de separación del orden de 1 cm. Estas descargas suelen estabilizarse utilizando un gas noble como el helio o el argón. ^{[sesenta y cinco]}
• El " 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 particularmente adecuada para dispositivos compactos y de alta eficiencia donde no se desea una fuente de alimentación de alto voltaje separada. ^{[ cita necesaria ]}

Convertidores MHD

En la década de 1960 se desencadenó 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 , reducir la transferencia térmica y reducir la resistencia . ^{[ cita necesaria ]}

Los gases ionizados utilizados en la "tecnología del plasma" (plasmas "tecnológicos" o "diseñados") suelen ser gases débilmente ionizados, en el sentido de que sólo una pequeña fracción de las moléculas del gas están ionizadas. ^[66] Estos tipos de gases débilmente ionizados también son plasmas "fríos" no térmicos. En presencia de campos magnéticos, el estudio de dichos 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 utiliza en combinación con un parámetro Hall alto , un valor crítico desencadena la problemática inestabilidad electrotérmica que limitó estos desarrollos tecnológicos. ^{[ cita necesaria ]}

Fenómenos plasma 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 . Tales sistemas se encuentran en cierto sentido en el límite entre el comportamiento ordenado y desordenado y normalmente no pueden describirse ni mediante funciones matemáticas simples y fluidas ni mediante 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 una forma fractal . Muchas de estas características se estudiaron por primera vez en el laboratorio y posteriormente han sido reconocidas en todo el universo. ^{[ cita necesaria ]} Ejemplos de complejidad y estructuras complejas en plasmas incluyen:

Filamento

Las estrías o estructuras en forma de cuerdas, ^[67] también conocidas como corrientes de Birkeland , 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 mayores densidades de corriente, y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética . ^[72] (Ver también Pellizco de plasma )

La filamentoción 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 más enfocado 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 produce la formación de un largo filamento de plasma que puede tener desde micrómetros hasta kilómetros de longitud. ^[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] (Ver también Propagación por 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 las décadas de 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 en el plasma y posteriormente conducir a una pérdida de calor inesperadamente alta hacia las paredes. ^[76] En 2013, un grupo de científicos de materiales informó que habían generado con éxito plasma impermeable estable sin confinamiento magnético utilizando solo una capa 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 sugería claramente un confinamiento efectivo. También demostraron que al mantener la impermeabilidad durante unas pocas decenas de segundos, la detección 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 complejos. nanomateriales . ^[77]

Galería

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

Ver también

• Portal de física

• Plasma de quarks-gluones

Referencias

1. Liddell, Henry George; Scott, Robert (1940). "πλάσμα". Un léxico griego-inglés . Prensa de Clarendon . Consultado el 10 de febrero de 2023 .
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enlaces externos

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• Introducción a la Física del Plasma: Curso de posgrado impartido por Richard Fitzpatrick|MIT Introducción por IHHutchinson
• Interacción del material plasmático
• Cómo hacer una bola brillante de plasma en tu microondas con una uva Archivado el 6 de septiembre de 2005 en Wayback Machine | Más (vídeo)
• OpenPIC3D: simulación 3D híbrida de partículas en celda de la dinámica del plasma
• Formulario de plasma interactivo