PLASMA

1. EL ESTADO FUNDAMENTAL DE LA MATERIA
2. HISTORIA
3. PROPIEDADES BÁSICAS. MODOS DE OPERACIÓN
4. LA DOBLE CAPA
5. EFECTO Z-PINCH
6. HANNES ALFVÉN. CAMPO MAGNÉTICO EN EL PLASMA
7. CORRIENTES ELÉCTRICAS EN PLASMA CÓSMICO




EL ESTADO FUNDAMENTAL DE LA MATERIA


[Traducido y adaptado por universoelectrico.blogspot.com a partir de la página "Plasma. The fundamental state of matter"]

Cuando uno o más de los electrones exteriores (valencia) son arrancados del átomo, decimos que el átomo pasa a estar "ionizado". Es cuando muestra una carga eléctrica neta positiva, y es denominado "ión positivo" (catión). Por otro lado, si se añade al átomo neutro un electrón extra, entonces esta combinación porta una carga eléctrica neta negativa y nos referimos a ello como un "ión negativo" (anión). Las fuerzas eléctricas entre iones de signo opuesto son varios órdenes de magnitud más fuertes que cualquier fuerza mecánica, tal como la producida por la gravedad.

Un plasma eléctrico es una nube de iones y electrones que, bajo la excitación de campos aplicados eléctricos y magnéticos, pueden en ocasiones emitir luz y se comportan de formas inusuales.

Lámpara de plasma
Lámpara de plasma

Los ejemplos más familiares de plasmas eléctricos son los tubos fluorescentes, los rayos y los arcos de soldadura. La ionosfera de la Tierra es un ejemplo de plasma que no emite luz visible. El plasma impregna todo el espacio interplanetario de nuestro Sistema Solar. La nube de partículas (electrones) que constituye el "viento solar" también es un plasma. Nuestra galaxia "Vía Láctea" al completo consiste principalmente de plasma. De hecho ¡el 99% de todo el universo conocido es plasma!




HISTORIA


A finales del S.IX, el físico noruego Kristian Birkeland explicó que el plasma es el responsable de poder  contemplar las auroras boreales.
Aurora boreal
"Birkeland también descubrió que  ciertas  corrientes eléctricas que se producen en el plasma, son trenzadas, con forma de sacacorchos. Algunas veces estas corrientes eléctricas trenzadas son visibles y otras no. Depende de la fuerza de la densidad de corriente transportada por el plasma. Estos flujos de iones y electrones se denominan corrientes de Birkeland. Los misteriosos "duendecillos" y chorros azules que se asocian con tormentas eléctricas en la Tierra son ejemplos de corrientes de Birkeland en el plasma de las altas capas de la atmósfera.

 A comienzos de S.XX, el premio Nobel Irving Langmuir estudió los plasmas eléctricos en su laboratorio de General Electric; desarrolló las teorías iniciadas por Birkeland. De hecho él fue el primero que usó el nombre de "plasma" para describir la casi forma de vida y comportamiento auto-organizativo de estas nubes de gas ionizada en presencia de corrientes eléctricas y campos magnéticos.


PROPIEDADES BÁSICAS. MODOS DE OPERACIÓN


El plasma se puede presentar en tres estados diferentes de operación:

  1. Modo corriente oscura.- La fuerza de la corriente eléctrica (flujo de partículas cargadas) dentro del plasma, es muy baja. El plasma no emite luz. Es esencialmente invisible. No sabríamos de la presencia del plasma hasta que midiéramos su actividad eléctrica con instrumentos sensibles. La magnetosfera de los planetas son ejemplos de plasma operando en el modo de corriente oscura.
  2. Modo normal luminiscente.- La fuerza de la corriente eléctrica (flujo de partículas cargadas) es significativo. El plasma emite luz. Su brillo depende de la intensidad de la corriente en el plasma. Ejemplos: tubos fluorescentes, auroras boreales, emisión de nebulosas ó la corona del Sol.
  3. Modo arco eléctrico.- La fuerza de la corriente eléctrica en el plasma es muy alta. El plasma radia con brillo en un amplio espectro. Las corrientes tienden a formar filamentos trenzados. Algunos ejemplos de este modo de operación son: arcos de soldadura, rayos y la fotosfera del Sol.
En los tres modos de operación, los plasmas emiten radiación electromagnética visible (ruido de radiofrecuencia). En cualquier momento dado, la densidad de corriente (Amperios por metro cuadrado) existente en el plasma determina el modo particular en el que opera el plasma. La estructura atómica del gas que se ioniza para formar el plasma también es un factor importante a tener en cuenta en el proceso.

Filamentos de una descarga eléctrica en plasma, en laboratorio
Filamentos de una descarga eléctrica en plasma, en laboratorio



LA DOBLE CAPA


Una de las más importantes propiedades de cualquier plasma eléctrico es su capacidad de "auto organizarse", esto es, aislar eléctricamente una de sus secciones con otra. La pared de aislamiento se denomina "doble capa" (DL, "double layer"). Cuando un plasma se estudia en el laboratorio, habitualmente está contenido en un tubo cilíndrico de vidrio. Los electrodos se insertan en los extremos del tubo. El ánodo se mantiene a un alto voltaje (diferencia de potencial) respecto al cátodo del otro extremo. Si se aplica tal diferencia de voltaje, se iniciará una ionización y la corriente comenzará a fluir a través del plasma. Los iones positivos (cationes) (átomos con uno ó más electrones arrancados) saldrán del ánodo, mientras que los iones negativos (aniones) (átomos llevando uno ó más electrones extra) irán hacia el ánodo. La suma matemática de estos dos flujos opuestos es lo que constituye la corriente neta total en el plasma.

Si la diferencia de voltaje entre los dos electrodos llega a ser lo suficientemente grande, se formará una DL en una estrecha sección transversal en algún lugar en medio del tubo. Casi todo el voltaje que se aplique entre los electrodos caerá a través de esta DL. El plasma a uno de los lados de la DL (el lado hacia el ánodo) tendrá aproximadamente el mismo voltaje que el ánodo. El plasma en el lado de la DL en donde está el cátodo, tendrá esencialmente el mismo voltaje que el cátodo. Las dos mitades del plasma están entonces eléctricamente aisladas por la DL. Las partículas no sienten ninguna fuerza electrostática en un lado de la DL, debido a las cargas del otro lado de la DL. La corriente eléctrica total, sin embargo, es la misma a través del plasma (a ambos lados de la DL). Los plasmas son excelente conductores y, por lo tanto, no existirá una caída significativa de voltaje a través de ellos mientras haya corriente circulando, de ahí la necesidad de la presencia de la DL, que "coge" la mayor parte de cualquier voltaje externo aplicado. En otras palabras, la DL es el lugar en donde se encontrarán los campos eléctricos más fuertes en el plasma.


Características de la DL mostrando el Potencial (gráfica superior), Campo Eléctrico (gráfica central) y Distribución espacial de la carga (gráfica inferior)
Características de la DL mostrando el Potencial (gráfica superior), Campo Eléctrico (gráfica central) y Distribución espacial de la carga (gráfica inferior)


Si un objeto extraño se inserta dentro del plasma, se formará una DL alrededor de él, apantallándolo del plasma. Este efecto hace realmente difícil insertar en el plasma sondas medidoras de voltaje para medir el potencial eléctrico en un punto específico. Esta es una propiedad bien conocida del los plasmas. De todas formas se han podido desarrollar en el laboratorio varios métodos para salvar este problema.

Es imposible enviar al espacio una nave para medir el voltaje del plasma solar en algún punto. El voltaje es una medida relativa (como por ejemplo la velocidad) y debe ser medida con respecto a algunos datos. Una nave espacial comenzará teniendo el mismo voltaje que la superficie de la Tierra. Cuando penetre en la plasmaesfera y entre en el plasma solar, comenzará lentamente a acumular carga y entonces alterará su voltaje. Sin embargo, la fuerza de un campo eléctrico sí se puede medir en el espacio.



EFECTO Z-PINCH


Es una de las propiedades físicas del plasma. Se podría traducir como "confinamiento por pinzamiento" y también se le conoce en español como "zeta pinzamiento". La "Z" del nombre en inglés hace referencia a la dirección del eje vertical Z, en un sistema cartesiano XYZ de referencia, en donde se proyectaba la corriente eléctrica en un tubo de cuarzo en los primeros experimentos de este método realizados en Inglaterra.

Dos corrientes eléctricas opuestas y paralelas tienden a acercar los conductores por los que circulan. En física, el Z-pinch consiste en la compresión de plasma en movimiento mediante la interacción de campos magnéticos opuestos. Específicamente el método se basa en la Ley de Lenz, que indica que un campo magnético variable induce una corriente en un conductor y que ese conductor crea a su vez otro campo magnético, en dirección opuesta. Esto es, si un imán se aproxima a un conductor entonces se crea una corriente eléctrica en el conductor y esta crea un campo magnético opuesto, que se opone al avance del imán hacia el conductor.

Un plasma puede ser considerado como una multitud de hilos conductores de corriente, todos ellos transportando la corriente en la misma dirección de modo que, por la Ley de Lenz, todos ellos son empujados unos hacia otros. Por lo tanto el plasma se contrae, si bien dicha contracción es contrarrestada por la presión del plasma.

La corriente eléctrica, cuando pasa a través de un plasma, tomará una forma de sacacorchos. Esto fue descubierto por Birkeland y estas corrientes, llamadas corrientes de Birkeland, la mayor parte de las veces se presentan en forma de pares trenzados. Existe la tendencia de que estos pares comprimen entre ellos cualquier material (ionizado o no) en el plasma.


Corrientes de Birkeland trenzadas. Detalle (5000 km de anchura) del borde de una mancha solar
Corrientes de Birkeland trenzadas. Detalle (5000 km de anchura) del borde de una mancha solar


HANNES ALFVÉN: EL CAMPO MAGNÉTICO NO ESTÁ "PARALIZADO" DENTRO DEL PLASMA


Durante años, se creyó  que los plasmas eran conductores perfectos y, como tales, el campo magnético en cualquier plasma debería estar "congelado" o paralizado dentro de él, es decir, sin ningún tipo de variación.
La explicación técnica es la siguiente. Una de las ecuaciones de Maxwell nos dice que el campo eléctrico es igual a la variación (negativa) del campo magnético con respecto al tiempo:  E = -dB/dt. Consecuentemente, si el campo eléctrico E es nulo en cualquier parte de una región, esto quiere decir que cualquier campo magnético en dicha región es constante. Así, si todos los plasmas fueran conductores ideales (por lo tanto no podrían albergar campos eléctricos, esto es, diferencias de potencial, dentro de ellos), entonces cualquier campo magnético dentro del plasma debería estar paralizado, esto es, no podría moverse ni cambiar de ninguna manera.

Ahora conocemos que puede haber ligeras diferencias de voltaje entre diferentes puntos dentro de los plasmas. El físico sueco, ingeniero de plasma, Hannes Alfvén (1908-1995) estableció este hecho en su discurso de aceptación del premio Nobel de Física en 1970. La conductividad eléctrica de cualquier material, incluido el plasma, se determina mediante dos factores: la densidad de población de portadores de carga (iones) disponibles en el material, y la movilidad de los mismos. En cualquier plasma, la movilidad de los electrones es extremadamente alta. Los electrones y los iones pueden moverse muy libremente en el espacio. Pero la concentración (número por unidad de volumen) de iones disponibles para llevar carga eléctrica puede no ser en absoluto alta si el plasma está a muy baja presión, esto es, si se trata de un plasma difuso. Así, aunque los plasmas son excelentes conductores, no son conductores perfectos. En los plasmas sí pueden existir campos eléctricos débiles. Por lo tanto, los campos magnéticos no están "paralizados" dentro de los plasmas.


CORRIENTES ELÉCTRICAS EN PLASMAS DE TAMAÑO CÓSMICO


Debido a que los plasmas son buenos (pero no perfectos) conductores, equivalen a hilos conductores respecto a la capacidad de transportar corriente eléctrica. Es bien conocido el hecho de que si cualquier conductor se abre camino en un campo magnético, se originará una corriente que circulará por dicho conductor. Esto es como funcionan los alternadores y generadores eléctricos. Entonces, si existe cualquier movimiento relativo entre un plasma cósmico (por ejemplo en el brazo de una galaxia) y un campo magnético en el mismo lugar, entonces circularán corrientes de Birkeland en el plasma. Estas corrientes, a su vez, producirán sus propios campos magnéticos.

Los fenómenos que se producen en el plasma son escalables. Esto quiere decir que sus propiedades eléctricas y físicas son siempre las mismas independientemente del tamaño del plasma. Por supuesto los fenómenos dinámicos toman mucho menos tiempo en ocurrir en un pequeño laboratorio que en un plasma del tamaño de por ejemplo una galaxia. Pero los fenómenos son idénticos en que siempre obedecen las mismas leyes físicas. Así, podemos construir en el laboratorio modelos precisos a escala, de un plasma de tamaño cósmico y generar los mismos efectos exactamente como se producen en el espacio. De hecho, se ha demostrado que las corrientes eléctricas que circulan en el plasma reproducen la mayor parte de los fenómenos astronómicos observados que son inexplicables si se asume que las únicas fuerzas que intervienen en el Cosmos son el magnetismo y la gravedad.


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