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Plasma (estado de la materia)

En física y química, se denomina plasma (del latín plasma y del griego πλάσμα ‘formación’) al cuarto estado de agregación de la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente (ionizadas) y no poseen equilibrio electromagnético, por eso son buenos conductores eléctricos y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance.[1]​ En cierta forma y de manera sintética, el plasma se puede caracterizar como un gas ionizado.

Las luces de neón generan luz gracias al neón en estado de plasma que hay en su interior.
Una pista de plasma de transbordador espacial Atlantis durante la reentrada en la atmósfera de la Tierra, como se ha visto desde la Estación Espacial Internacional
Arco de energía, electrodo central de una lámpara de plasma

El plasma tiene características propias que no se dan en los sólidos, líquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregación de la materia. Como el gas, el plasma no tiene una forma o volumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor. El plasma bajo la influencia de un campo magnético puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas dobles.[2]​ Los átomos de este estado se mueven libremente; cuanto más alta es la temperatura más rápido se mueven los átomos en el gas, y en el momento de colisionar la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones.[3]

Calentar un gas puede ionizar sus moléculas o átomos (reduciendo o incrementado su número de electrones para formar iones), convirtiéndolo en un plasma.[4]​ La ionización también puede ser inducida por otros medios, como la aplicación de un fuerte campo electromagnético mediante un láser o un generador de microondas, y es acompañado por la disociación de los enlaces covalentes, si están presentes.[5]

El plasma es el estado de agregación más abundante en el Universo, y la mayor parte de la materia visible se encuentra en estado de plasma, la mayoría del cual es el enrarecido plasma intergaláctico (particularmente el centro de intracúmulos) y en las estrellas.[6][7]​ El plasma se asocia principalmente con las estrellas,[8]

Historia temprana

Plasma microfields calculated by an N-body simulation. Note the fast moving electrons and slow ions. It resembles a bodily fluid

El plasma fue identificado por primera vez en el laboratorio por sir William Crookes. Crookes presentó una conferencia sobre lo que denominó "materia radiante" ante la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, en Sheffield, el viernes 22 de agosto de 1879.[9]​ Sin embargo, 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:[10]


Excepto cerca de los electrodos, donde hay vainas que contienen muy pocos electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en un número casi igual, de modo que la carga espacial resultante es muy pequeña. Utilizaremos el nombre de plasma para describir esta región que contiene cargas equilibradas de iones y electrones.

Lewi Tonks y Harold Mott-Smith, que trabajaron con Langmuir en los años 20, recuerdan que Langmuir utilizó por primera vez el término por analogía con el plasma sanguíneo.[11][12]​ Mott-Smith recuerda, en particular, que el transporte de electrones de los filamentos termoiónicos le recordaba a Langmuir "la forma en que el plasma sanguíneo transporta los glóbulos rojos y blancos y los gérmenes".[13]

Definiciones

El cuarto estado de la materia

El plasma es el cuarto estado de la materia después del sólido, el líquido y el gas.[14][15][16]​ Es un estado de la materia en el que una sustancia ionizada se vuelve altamente conductora de la electricidad hasta el punto de que los campos eléctricos y magnéticos de largo alcance dominan su comportamiento.[17][18]​ El plasma es típicamente un medio eléctricamente cuasineutral de partículas positivas y negativas no ligadas, es decir, la carga total de un plasma es aproximadamente cero. Aunque estas partículas no están unidas, no son "libres" en el sentido de no experimentar fuerzas. Las partículas cargadas en movimiento generan corrientes eléctricas, y cualquier movimiento de una partícula de plasma cargada afecta y se ve afectado por los campos creados por las otras cargas. A su vez, esto gobierna el comportamiento colectivo con muchos grados de variación.[5][19]

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

Propiedad Gas Plasma
Interacciones Binaria: Las colisiones de dos partículas son la regla, las de tres cuerpos son extremadamente raras. Colectiva: Las olas, o movimiento organizado del plasma, son muy importantes porque las partículas pueden interactuar a grandes distancias a través de las fuerzas eléctricas y magnéticas.
Resistividad y conductividad eléctricas Muy baja: Los gases son excelentes aislantes hasta intensidades de campo eléctrico de decenas de kilovoltios por centímetro.[20] Muy alta: Para muchos propósitos, la conductividad de un plasma puede ser tratada como infinita.
Especies que actúan de forma independiente Uno: Todas las partículas del gas se comportan de forma similar, influidas en gran medida por las colisiones entre ellas y por la gravedad. Dos o más: Los electrónes y los iones poseen diferentes cargas y masas muy diferentes, por lo que se comportan de forma diferente en muchas circunstancias, surgiendo como resultado diversos tipos de ondas específicas del plasma e inestabilidades.
Distribución de velocidad Maxwelliano: las colisiones generalmente conducen a una distribución de velocidad maxwelliana de todas las partículas de gas. A menudo no maxwelliano: Las interacciones de colisión son relativamente débiles en los plasmas calientes y las fuerzas externas pueden alejar el plasma del equilibrio local.

Plasma ideal

Tres factores definen un plasma ideal:[21][22]

  • La aproximación del plasma: La aproximación del plasma se aplica cuando el parámetro del plasma Λ,[23]​ que representa el número de portadores de carga dentro de la esfera de Debye es mucho mayor que la unidad.[17][18]​ Se puede demostrar fácilmente que este criterio es equivalente a la pequeñez de la relación de las densidades de energía electrostática y térmica del plasma. Tales plasmas se denominan débilmente acoplados.[24]
  • Interacciones a granel: La longitud de Debye es mucho menor que el tamaño físico del plasma. Este criterio significa que las interacciones en el grueso del plasma son más importantes que las de sus bordes, donde pueden tener lugar efectos de frontera. Cuando se cumple este criterio, el plasma es cuasineutral.[25]
  • Sin colisiones: La frecuencia del plasma de electrones (que mide las oscilaciones de los electrones en el plasma) es mucho mayor que la frecuencia de colisión electrón-neutral. Cuando esta condición es válida, las interacciones electrostáticas dominan sobre los procesos de la cinética ordinaria del gas. Tales plasmas se denominan sin colisiones.[26]

Plasma no neutro

La fuerza y el alcance de la fuerza eléctrica y la buena conductividad de los plasmas suelen asegurar que las densidades de las cargas positivas y negativas en cualquier región considerable son iguales ("cuasineutralidad"). Un plasma con un exceso significativo de densidad de carga o, en el caso extremo, compuesto por 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.[27]

Plasma polvoriento

Un plasma polvoriento contiene diminutas partículas de polvo cargadas (típicamente encontradas 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.[28]

Ejemplos de plasmas

 
El Sol quizás sea el ejemplo de plasma más identificable.[29][30]

Algunos ejemplos de plasmas son los siguientes:[31]

Formas comunes de plasma
Producidos artificialmente Plasmas terrestres Plasmas espaciales y astrofísicos:

Aplicaciones

 
Las LCF son ejemplo de aplicación del plasma

La física de plasmas puede encontrar aplicación en diversas áreas:[34]

  • Descargas de gas (electrónica gaseosa).

Parámetros de un plasma

Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con características diversas, la primera tarea de la física del plasma es definir apropiadamente los parámetros que deciden el comportamiento de un plasma. Los principales parámetros son los siguientes:

Neutralidad y especies presentes

El plasma está formado por igual número de cargas positivas y negativas, lo que anula la carga total del sistema. En tal caso se habla de un plasma neutro o casi-neutro. También existen plasmas no neutros o inestables, como el flujo de electrones dentro de un acelerador de partículas, pero requieren algún tipo de confinamiento externo para vencer las fuerzas de repulsión electrostática.

Los plasmas más comunes son los formados por electrones e iones. En general puede haber varias especies de iones dentro del plasma, como moléculas ionizadas positivas (cationes) y otras que han capturado un electrón y aportan una carga negativa (aniones).

Longitudes

La longitud de Debye o de apantallamiento electromagnético.[35]​ También la longitud de una onda plasmática depende del contenido cóncavo de su recipiente, el cual influye porque su paralelismo con respecto del eje x sobre la tierra afecta la longitud de dicha onda de espectro electromagnético.

La frecuencia de plasma

Así como la longitud de Debye proporciona una medida de las longitudes típicas en un plasma, la frecuencia de plasma ( ) describe sus tiempos característicos. Supóngase que en un plasma en equilibrio y sin densidades de carga se introduce un pequeño desplazamiento de todos los electrones en una dirección. Estos sentirán la atracción de los iones en la dirección opuesta, se moverán hacia ella y comenzarán a oscilar en torno a la posición original de equilibrio. La frecuencia de tal oscilación es lo que se denomina frecuencia de plasma. La frecuencia de plasma de los electrones es:[36]

 

donde   es la masa del electrón y   su carga.

Temperatura: velocidad térmica

 
Los relámpagos son un plasma que alcanza una temperatura de 27 000 °C.

Por lo general las partículas de una determinada especie localizadas en un punto dado no tienen igual velocidad: presentan por el contrario una distribución que en el equilibrio térmico es descrita por la distribución de Maxwell-Boltzmann. A mayor temperatura, mayor será la dispersión de velocidades (más ancha será la curva que la representa).

Una medida de tal dispersión es la velocidad cuadrática media que, en el equilibrio, se denomina también velocidad térmica. Es frecuente, aunque formalmente incorrecto, hablar también de velocidad térmica y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinámico.[cita requerida] En tal caso, se menciona la temperatura que correspondería a una velocidad cuadrática media determinada. La velocidad térmica de los electrones es:

 

El parámetro de plasma

El parámetro de plasma ( ) indica el número medio de partículas contenidas en una esfera cuyo radio es la longitud de Debye (esfera de Debye). La definición de plasma, según la cual la interacción electromagnética de una partícula con la multitud de partículas distantes domina sobre la interacción con los pocos vecinos próximos, puede escribirse en términos del parámetro de plasma como  .[37][38]​ Esto es: hay un gran número de partículas contenidas en una esfera de Debye. Es común referirse a esta desigualdad como "condición de plasma".

Algunos autores adoptan una definición inversa del parámetro de plasma ( ), con lo que la condición de plasma resulta ser  .[39]

El parámetro de plasma de los electrones es:

 

Modelos teóricos

Tras conocer los valores de los parámetros descritos en la sección anterior, el estudioso de los plasmas deberá escoger el modelo más apropiado para el fenómeno que le ocupe. Las diferencias entre diferentes modelos residen en el detalle con el que describen un sistema, de modo que se puede establecer así jerarquía en la que descripciones de nivel superior se deducen de las inferiores tras asumir que algunas de las variables se comportan de forma prescrita. Estas asunciones o aproximaciones razonables no son estrictamente ciertas pero permiten entender fenómenos que serían difíciles de tratar en modelos más detallados.

Por supuesto, no todas las especies han de ser descritas de una misma forma: por ejemplo, debido a que los iones son mucho más pesados que los electrones, es frecuente analizar la dinámica de los últimos tomando a los iones como inmóviles o estudiar los movimientos de los iones suponiendo que los electrones reaccionan mucho más rápido y por tanto están siempre en equilibrio termodinámico.

Puesto que las fuerzas electromagnéticas de largo alcance son dominantes, todo modelo de plasma estará acoplado a las ecuaciones de Maxwell,[40]​ que determinan los campos electromagnéticos a partir de las cargas y corrientes en el sistema.

Los modelos fundamentales más usados en la física del plasma, listados en orden decreciente de detalle, es decir de microscópicos a macroscópicos, son los modelos discretos, los modelos cinéticos continuos y los modelos de fluidos o hidrodinámicos.

Modelos discretos

El máximo detalle en el modelado de un plasma consiste en describir la dinámica de cada una de sus partículas según la segunda ley de Newton. Para hacer esto con total exactitud en un sistema de   partículas habría que calcular del orden de   interacciones. En la gran mayoría de los casos, esto excede la capacidad de cálculo de los mejores ordenadores actuales.

Sin embargo, gracias al carácter colectivo del plasma, reflejado en la condición de plasma, es posible una simplificación que hace mucho más manejable el cálculo. Esta simplificación es la que adoptan los llamados modelos numéricos Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-Celda): el espacio del sistema se divide en un número no muy grande de pequeñas celdas.[41][42]​ En cada instante de la evolución se cuenta el número de partículas y la velocidad media en cada celda, con lo que se obtienen densidades de carga y de corriente que, insertadas en las ecuaciones de Maxwell permiten calcular los campos electromagnéticos. Tras ello, se calcula la fuerza ejercida por estos campos sobre cada partícula y se actualiza su posición, repitiendo este proceso tantas veces como sea oportuno.

Los modelos PIC gozan de gran popularidad en el estudio de plasmas a altas temperaturas, en los que la velocidad térmica es comparable al resto de velocidades características del sistema.

Modelos cinéticos continuos

Cuando la densidad de partículas del plasma es suficientemente grande es conveniente reducir la distribución de las mismas a una función de distribución promediada.[43]​ Esta representa la densidad de partículas contenida en una región infinitesimal del espacio de fases, es decir el espacio cuyas coordenadas son posiciones y cantidades de movimiento. La ecuación que gobierna la evolución temporal de las funciones de distribución es la ecuación de Boltzmann. En el caso particular en el que las colisiones son despreciables la ecuación de Boltzmann se reduce a la Ecuación de Vlasov, demostrada por Anatoly Vlasov.[44]

Los modelos físicos cinéticos suelen emplearse cuando la densidad numérica de partículas es tan grande que un modelado discreto resulta inabordable. Por otra parte, los modelos cinéticos constituyen la base de los estudios analíticos sobre plasmas calientes.

Modelos de fluidos o hidrodinámicos

Para plasmas a bajas temperaturas, en los que estudiamos procesos cuyas velocidades características son mucho mayores que la velocidad térmica del plasma, podemos simplificar el modelo y suponer que todas las partículas de una especie en un punto dado tienen igual velocidad o que están suficientemente cerca del equilibrio como para suponer que sus velocidades siguen la distribución de Maxwell-Boltzmann con una velocidad media dependiente de la posición.[cita requerida] Entonces se pueden derivar unas ecuaciones de fluidos para cada especie que, en su forma más general, son llamadas ecuaciones de Navier-Stokes. Lamentablemente en muchos casos estas ecuaciones son excesivamente complejas e inmanejables; hay que recurrir entonces a simplificaciones adicionales.

Véase también

Referencias

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  2. Serway, R. A.; Faughn, J.S. (2004). Fundamentos de física 2 (6a edición). Cengage Learning Editores. p. 3. ISBN 9789706863812. Consultado el 28 de octubre de 2011. 
  3. Bittencourt, pp. 1-2.
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  5. Sturrock, Peter A. (1994). Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas. Cambridge University Press. ISBN 0521448107.  Error en la cita: Etiqueta <ref> no válida; el nombre «Sturrock» está definido varias veces con contenidos diferentes
  6. Se asegura ocasionalmente que más del 99% de la materia en el universo visible es plasma. Véase, por ejemplo, D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee (2005). Introduction to Plasma Physics: With Space and Laboratory Applications. Cambridge, UK: Cambridge University Press. p. 2. ISBN 0521364833.  y K Scherer, H Fichtner, B Heber (2005). Space Weather: The Physics Behind a Slogan. Berlin: Springer. p. 138. ISBN 3540229078.  Esencialmente, toda la luz visible del espacio viene de las estrellas, que son plasmas con una temperatura tal que emiten fuertemente radiación en longitudes de onda visibles. Sin embargo, la mayoría de la materia ordinaria (o bariónica) en el universo se encuentra en el espacio intergaláctico, que es también un plasma, pero mucho más caliente, así que emite radiación primeramente como rayos X. El consenso científico actual es que alrededor del 95% de la densidad de energía total en el universo no es plasma o cualquier otra forma de materia ordinaria, sino una combinación de materia oscura fría y energía oscura.
  7. Chu, P.K.; Lu, XinPel (2013). Low Temperature Plasma Technology: Methods and Applications. CRC Press. p. 3. ISBN 978-1-4665-0990-0. 
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Bibliografía

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Enlaces externos

  •   Datos: Q10251
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plasma, estado, materia, física, química, denomina, plasma, latín, plasma, griego, πλάσμα, formación, cuarto, estado, agregación, materia, estado, fluido, similar, estado, gaseoso, pero, determinada, proporción, partículas, están, cargadas, eléctricamente, ion. En fisica y quimica se denomina plasma del latin plasma y del griego plasma formacion al cuarto estado de agregacion de la materia un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporcion de sus particulas estan cargadas electricamente ionizadas y no poseen equilibrio electromagnetico por eso son buenos conductores electricos y sus particulas responden fuertemente a las interacciones electromagneticas de largo alcance 1 En cierta forma y de manera sintetica el plasma se puede caracterizar como un gas ionizado Una lampara de plasma Tormenta electrica Las luces de neon generan luz gracias al neon en estado de plasma que hay en su interior Una pista de plasma de transbordador espacial Atlantis durante la reentrada en la atmosfera de la Tierra como se ha visto desde la Estacion Espacial Internacional Mecanica de medios continuos Arco de energia electrodo central de una lampara de plasma El plasma tiene caracteristicas propias que no se dan en los solidos liquidos o gases por lo que es considerado otro estado de agregacion de la materia Como el gas el plasma no tiene una forma o volumen definido a no ser que este encerrado en un contenedor El plasma bajo la influencia de un campo magnetico puede formar estructuras como filamentos rayos y capas dobles 2 Los atomos de este estado se mueven libremente cuanto mas alta es la temperatura mas rapido se mueven los atomos en el gas y en el momento de colisionar la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones 3 Calentar un gas puede ionizar sus moleculas o atomos reduciendo o incrementado su numero de electrones para formar iones convirtiendolo en un plasma 4 La ionizacion tambien puede ser inducida por otros medios como la aplicacion de un fuerte campo electromagnetico mediante un laser o un generador de microondas y es acompanado por la disociacion de los enlaces covalentes si estan presentes 5 El plasma es el estado de agregacion mas abundante en el Universo y la mayor parte de la materia visible se encuentra en estado de plasma la mayoria del cual es el enrarecido plasma intergalactico particularmente el centro de intracumulos y en las estrellas 6 7 El plasma se asocia principalmente con las estrellas 8 Indice 1 Historia temprana 2 Definiciones 2 1 El cuarto estado de la materia 2 2 Plasma ideal 2 3 Plasma no neutro 2 4 Plasma polvoriento 3 Ejemplos de plasmas 4 Aplicaciones 5 Parametros de un plasma 5 1 Neutralidad y especies presentes 5 2 Longitudes 5 3 La frecuencia de plasma 5 4 Temperatura velocidad termica 5 5 El parametro de plasma 6 Modelos teoricos 6 1 Modelos discretos 6 2 Modelos cineticos continuos 6 3 Modelos de fluidos o hidrodinamicos 7 Vease tambien 8 Referencias 9 Bibliografia 10 Enlaces externosHistoria temprana Editar Reproducir contenido multimedia Plasma microfields calculated by an N body simulation Note the fast moving electrons and slow ions It resembles a bodily fluid El plasma fue identificado por primera vez en el laboratorio por sir William Crookes Crookes presento una conferencia sobre lo que denomino materia radiante ante la Asociacion Britanica para el Avance de la Ciencia en Sheffield el viernes 22 de agosto de 1879 9 Sin embargo los estudios sistematicos del plasma comenzaron con las investigaciones de Irving Langmuir y sus colegas en la decada de 1920 Langmuir tambien introdujo el termino plasma como descripcion del gas ionizado en 1928 10 Excepto cerca de los electrodos donde hay vainas que contienen muy pocos electrones el gas ionizado contiene iones y electrones en un numero casi igual de modo que la carga espacial resultante es muy pequena Utilizaremos el nombre de plasma para describir esta region que contiene cargas equilibradas de iones y electrones Lewi Tonks y Harold Mott Smith que trabajaron con Langmuir en los anos 20 recuerdan que Langmuir utilizo por primera vez el termino por analogia con el plasma sanguineo 11 12 Mott Smith recuerda en particular que el transporte de electrones de los filamentos termoionicos le recordaba a Langmuir la forma en que el plasma sanguineo transporta los globulos rojos y blancos y los germenes 13 Definiciones EditarEl cuarto estado de la materia Editar El plasma es el cuarto estado de la materia despues del solido el liquido y el gas 14 15 16 Es un estado de la materia en el que una sustancia ionizada se vuelve altamente conductora de la electricidad hasta el punto de que los campos electricos y magneticos de largo alcance dominan su comportamiento 17 18 El plasma es tipicamente un medio electricamente cuasineutral de particulas positivas y negativas no ligadas es decir la carga total de un plasma es aproximadamente cero Aunque estas particulas no estan unidas no son libres en el sentido de no experimentar fuerzas Las particulas cargadas en movimiento generan corrientes electricas y cualquier movimiento de una particula de plasma cargada afecta y se ve afectado por los campos creados por las otras cargas A su vez esto gobierna el comportamiento colectivo con muchos grados de variacion 5 19 El plasma se distingue de los demas estados de la materia En particular describir un plasma de baja densidad como un mero gas ionizado es erroneo y enganoso a pesar de que es similar a la fase gaseosa en el sentido de que ambos no asumen una forma o volumen definidos La siguiente tabla resume algunas de las principales diferencias Propiedad Gas PlasmaInteracciones Binaria Las colisiones de dos particulas son la regla las de tres cuerpos son extremadamente raras Colectiva Las olas o movimiento organizado del plasma son muy importantes porque las particulas pueden interactuar a grandes distancias a traves de las fuerzas electricas y magneticas Resistividad y conductividad electricas Muy baja Los gases son excelentes aislantes hasta intensidades de campo electrico de decenas de kilovoltios por centimetro 20 Muy alta Para muchos propositos la conductividad de un plasma puede ser tratada como infinita Especies que actuan de forma independiente Uno Todas las particulas del gas se comportan de forma similar influidas en gran medida por las colisiones entre ellas y por la gravedad Dos o mas Los electrones y los iones poseen diferentes cargas y masas muy diferentes por lo que se comportan de forma diferente en muchas circunstancias surgiendo como resultado diversos tipos de ondas especificas del plasma e inestabilidades Distribucion de velocidad Maxwelliano las colisiones generalmente conducen a una distribucion de velocidad maxwelliana de todas las particulas de gas A menudo no maxwelliano Las interacciones de colision son relativamente debiles en los plasmas calientes y las fuerzas externas pueden alejar el plasma del equilibrio local Plasma ideal Editar Tres factores definen un plasma ideal 21 22 La aproximacion del plasma La aproximacion del plasma se aplica cuando el parametro del plasma L 23 que representa el numero de portadores de carga dentro de la esfera de Debye es mucho mayor que la unidad 17 18 Se puede demostrar facilmente que este criterio es equivalente a la pequenez de la relacion de las densidades de energia electrostatica y termica del plasma Tales plasmas se denominan debilmente acoplados 24 Interacciones a granel La longitud de Debye es mucho menor que el tamano fisico del plasma Este criterio significa que las interacciones en el grueso del plasma son mas importantes que las de sus bordes donde pueden tener lugar efectos de frontera Cuando se cumple este criterio el plasma es cuasineutral 25 Sin colisiones La frecuencia del plasma de electrones que mide las oscilaciones de los electrones en el plasma es mucho mayor que la frecuencia de colision electron neutral Cuando esta condicion es valida las interacciones electrostaticas dominan sobre los procesos de la cinetica ordinaria del gas Tales plasmas se denominan sin colisiones 26 Plasma no neutro Editar La fuerza y el alcance de la fuerza electrica y la buena conductividad de los plasmas suelen asegurar que las densidades de las cargas positivas y negativas en cualquier region considerable son iguales cuasineutralidad Un plasma con un exceso significativo de densidad de carga o en el caso extremo compuesto por una sola especie se denomina plasma no neutro En un plasma de este tipo los campos electricos desempenan un papel dominante Algunos ejemplos son los haces de particulas cargadas una nube de electrones en una trampa de Penning y los plasmas de positrones 27 Plasma polvoriento Editar Un plasma polvoriento contiene diminutas particulas de polvo cargadas tipicamente encontradas en el espacio Las particulas de polvo adquieren altas cargas e interactuan entre si Un plasma que contiene particulas mas grandes se llama plasma de grano En condiciones de laboratorio los plasmas polvorientos tambien se denominan plasmas complejos 28 Ejemplos de plasmas Editar El Sol quizas sea el ejemplo de plasma mas identificable 29 30 Algunos ejemplos de plasmas son los siguientes 31 Formas comunes de plasma Producidos artificialmente Plasmas terrestres Plasmas espaciales y astrofisicos En los televisores o monitores con pantalla de plasma En el interior de los tubos fluorescentes iluminacion de bajo consumo 32 En soldaduras de arco electrico bajo proteccion por gas TIG MIG MAG etc Materia expulsada para la propulsion de cohetes La region que rodea al escudo termico de una nave espacial durante su entrada en la atmosfera El interior de los reactores de fusion Las descargas electricas de uso industrial Las bolas de plasma Los rayos durante una tormenta El Fuego de San Telmo La ionosfera Las auroras polares Algunas llamas 33 El viento polar una fuente de plasma El Sol y otras estrellas Plasmas calentados por fusion nuclear Los vientos solares El medio interplanetario la materia entre los planetas del Sistema Solar el medio interestelar la materia entre las estrellas y el medio intergalactico la materia entre las galaxias Los discos de acrecimiento Las nebulosas intergalacticas AmbiplasmaAplicaciones Editar Las LCF son ejemplo de aplicacion del plasma La fisica de plasmas puede encontrar aplicacion en diversas areas 34 Descargas de gas electronica gaseosa Parametros de un plasma EditarPuesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con caracteristicas diversas la primera tarea de la fisica del plasma es definir apropiadamente los parametros que deciden el comportamiento de un plasma Los principales parametros son los siguientes Neutralidad y especies presentes Editar El plasma esta formado por igual numero de cargas positivas y negativas lo que anula la carga total del sistema En tal caso se habla de un plasma neutro o casi neutro Tambien existen plasmas no neutros o inestables como el flujo de electrones dentro de un acelerador de particulas pero requieren algun tipo de confinamiento externo para vencer las fuerzas de repulsion electrostatica Los plasmas mas comunes son los formados por electrones e iones En general puede haber varias especies de iones dentro del plasma como moleculas ionizadas positivas cationes y otras que han capturado un electron y aportan una carga negativa aniones Longitudes Editar La longitud de Debye o de apantallamiento electromagnetico 35 Tambien la longitud de una onda plasmatica depende del contenido concavo de su recipiente el cual influye porque su paralelismo con respecto del eje x sobre la tierra afecta la longitud de dicha onda de espectro electromagnetico La frecuencia de plasma Editar Asi como la longitud de Debye proporciona una medida de las longitudes tipicas en un plasma la frecuencia de plasma w p displaystyle omega p describe sus tiempos caracteristicos Supongase que en un plasma en equilibrio y sin densidades de carga se introduce un pequeno desplazamiento de todos los electrones en una direccion Estos sentiran la atraccion de los iones en la direccion opuesta se moveran hacia ella y comenzaran a oscilar en torno a la posicion original de equilibrio La frecuencia de tal oscilacion es lo que se denomina frecuencia de plasma La frecuencia de plasma de los electrones es 36 w p e n e e 2 m e e 0 1 2 displaystyle omega pe n e e 2 m e varepsilon 0 1 2 donde m e displaystyle m e es la masa del electron y e displaystyle e su carga Temperatura velocidad termica Editar Los relampagos son un plasma que alcanza una temperatura de 27 000 C Por lo general las particulas de una determinada especie localizadas en un punto dado no tienen igual velocidad presentan por el contrario una distribucion que en el equilibrio termico es descrita por la distribucion de Maxwell Boltzmann A mayor temperatura mayor sera la dispersion de velocidades mas ancha sera la curva que la representa Una medida de tal dispersion es la velocidad cuadratica media que en el equilibrio se denomina tambien velocidad termica Es frecuente aunque formalmente incorrecto hablar tambien de velocidad termica y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinamico cita requerida En tal caso se menciona la temperatura que corresponderia a una velocidad cuadratica media determinada La velocidad termica de los electrones es v T e k T e m e 1 2 displaystyle v Te kT e m e 1 2 El parametro de plasma Editar El parametro de plasma G displaystyle Gamma indica el numero medio de particulas contenidas en una esfera cuyo radio es la longitud de Debye esfera de Debye La definicion de plasma segun la cual la interaccion electromagnetica de una particula con la multitud de particulas distantes domina sobre la interaccion con los pocos vecinos proximos puede escribirse en terminos del parametro de plasma como G 1 displaystyle Gamma gg 1 37 38 Esto es hay un gran numero de particulas contenidas en una esfera de Debye Es comun referirse a esta desigualdad como condicion de plasma Algunos autores adoptan una definicion inversa del parametro de plasma g 1 G displaystyle g 1 Gamma con lo que la condicion de plasma resulta ser g 1 displaystyle g ll 1 39 El parametro de plasma de los electrones es G 4 p 3 n e l D 3 displaystyle Gamma 4 pi 3 n e lambda D 3 Modelos teoricos EditarTras conocer los valores de los parametros descritos en la seccion anterior el estudioso de los plasmas debera escoger el modelo mas apropiado para el fenomeno que le ocupe Las diferencias entre diferentes modelos residen en el detalle con el que describen un sistema de modo que se puede establecer asi jerarquia en la que descripciones de nivel superior se deducen de las inferiores tras asumir que algunas de las variables se comportan de forma prescrita Estas asunciones o aproximaciones razonables no son estrictamente ciertas pero permiten entender fenomenos que serian dificiles de tratar en modelos mas detallados Por supuesto no todas las especies han de ser descritas de una misma forma por ejemplo debido a que los iones son mucho mas pesados que los electrones es frecuente analizar la dinamica de los ultimos tomando a los iones como inmoviles o estudiar los movimientos de los iones suponiendo que los electrones reaccionan mucho mas rapido y por tanto estan siempre en equilibrio termodinamico Puesto que las fuerzas electromagneticas de largo alcance son dominantes todo modelo de plasma estara acoplado a las ecuaciones de Maxwell 40 que determinan los campos electromagneticos a partir de las cargas y corrientes en el sistema Los modelos fundamentales mas usados en la fisica del plasma listados en orden decreciente de detalle es decir de microscopicos a macroscopicos son los modelos discretos los modelos cineticos continuos y los modelos de fluidos o hidrodinamicos Modelos discretos Editar El maximo detalle en el modelado de un plasma consiste en describir la dinamica de cada una de sus particulas segun la segunda ley de Newton Para hacer esto con total exactitud en un sistema de N displaystyle N particulas habria que calcular del orden de N 2 displaystyle N 2 interacciones En la gran mayoria de los casos esto excede la capacidad de calculo de los mejores ordenadores actuales Sin embargo gracias al caracter colectivo del plasma reflejado en la condicion de plasma es posible una simplificacion que hace mucho mas manejable el calculo Esta simplificacion es la que adoptan los llamados modelos numericos Particle In Cell PIC Particula En Celda el espacio del sistema se divide en un numero no muy grande de pequenas celdas 41 42 En cada instante de la evolucion se cuenta el numero de particulas y la velocidad media en cada celda con lo que se obtienen densidades de carga y de corriente que insertadas en las ecuaciones de Maxwell permiten calcular los campos electromagneticos Tras ello se calcula la fuerza ejercida por estos campos sobre cada particula y se actualiza su posicion repitiendo este proceso tantas veces como sea oportuno Los modelos PIC gozan de gran popularidad en el estudio de plasmas a altas temperaturas en los que la velocidad termica es comparable al resto de velocidades caracteristicas del sistema Modelos cineticos continuos Editar Cuando la densidad de particulas del plasma es suficientemente grande es conveniente reducir la distribucion de las mismas a una funcion de distribucion promediada 43 Esta representa la densidad de particulas contenida en una region infinitesimal del espacio de fases es decir el espacio cuyas coordenadas son posiciones y cantidades de movimiento La ecuacion que gobierna la evolucion temporal de las funciones de distribucion es la ecuacion de Boltzmann En el caso particular en el que las colisiones son despreciables la ecuacion de Boltzmann se reduce a la Ecuacion de Vlasov demostrada por Anatoly Vlasov 44 Los modelos fisicos cineticos suelen emplearse cuando la densidad numerica de particulas es tan grande que un modelado discreto resulta inabordable Por otra parte los modelos cineticos constituyen la base de los estudios analiticos sobre plasmas calientes Modelos de fluidos o hidrodinamicos Editar Para plasmas a bajas temperaturas en los que estudiamos procesos cuyas velocidades caracteristicas son mucho mayores que la velocidad termica del plasma podemos simplificar el modelo y suponer que todas las particulas de una especie en un punto dado tienen igual velocidad o que estan suficientemente cerca del equilibrio como para suponer que sus velocidades siguen la distribucion de Maxwell Boltzmann con una velocidad media dependiente de la posicion cita requerida Entonces se pueden derivar unas ecuaciones de fluidos para cada especie que en su forma mas general son llamadas ecuaciones de Navier Stokes Lamentablemente en muchos casos estas ecuaciones son excesivamente complejas e inmanejables hay que recurrir entonces a simplificaciones adicionales Vease tambien EditarEstado de agregacion de la materia Corte por plasma Lampara de plasma Interaccion plasma pared Solido Liquido GasReferencias Editar Plasma Consultado el 28 de octubre de 2011 Serway R A Faughn J S 2004 Fundamentos de fisica 2 6a edicion Cengage Learning Editores p 3 ISBN 9789706863812 Consultado el 28 de octubre de 2011 Bittencourt pp 1 2 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embargo la mayoria de la materia ordinaria o barionica en el universo se encuentra en el espacio intergalactico que es tambien un plasma pero mucho mas caliente asi que emite radiacion primeramente como rayos X El consenso cientifico actual es que alrededor del 95 de la densidad de energia total en el universo no es plasma o cualquier otra forma de materia ordinaria sino una combinacion de materia oscura fria y energia oscura Chu P K Lu XinPel 2013 Low Temperature Plasma Technology Methods and Applications CRC Press p 3 ISBN 978 1 4665 0990 0 Piel A 2010 Plasma Physics An Introduction to Laboratory Space and Fusion Plasmas Springer pp 4 5 ISBN 978 3 642 10491 6 Archivado desde el original el 5 January 2016 Archived copy Archivado desde el original el 9 July 2006 Consultado el 24 de mayo de 2006 Radiant Matter Archivado desde el original el 13 June 2006 Consultado el 24 de mayo de 2006 Langmuir I 1928 Oscillations in Ionized Gases Proceedings of the National Academy of Sciences 14 8 627 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