Plasma

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El plasma (del griego πλάσμα “esculpido, moldeado”) es un gas ionizado , uno de los cuatro estados clásicos de la materia .

Un gas ionizado contiene electrones libres e iones positivos y negativos . En términos más generales, un plasma puede estar formado por cualquier partícula cargada (como un plasma de quarks-gluones ). Cuasi-neutralidad significa que la carga total en cualquier volumen, pequeño en comparación con las dimensiones del sistema, es igual a cero, que es su diferencia clave con otros sistemas que contienen partículas cargadas (por ejemplo, haces de iones o electrones ). Dado que cuando un gas se calienta a temperaturas suficientemente altas, pasa a un plasma, se le llama el cuarto estado (después de sólido , líquido y gaseoso ) de agregación de la materia.

Debido a que las partículas cargadas en un plasma son móviles , el plasma tiene la capacidad de conducir electricidad . En el caso estacionario, el plasma apantalla un campo eléctrico externo constante con respecto a él debido a la separación espacial de las cargas. Sin embargo, debido a la presencia de una temperatura distinta de cero de las partículas cargadas, existe una escala mínima , a distancias menores que la cual se viola la cuasi-neutralidad.

Historial de descubrimientos

El cuarto estado de la materia fue descubierto por W. Crookes en 1879 y I. Langmuir lo denominó "plasma" en 1928 . Langmuir escribió [1] :

Con la excepción del espacio cercano a los electrodos, donde se encuentra una pequeña cantidad de electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en cantidades casi iguales, por lo que la carga total del sistema es muy pequeña. Usamos el término "plasma" para describir esta región generalmente eléctricamente neutra compuesta de iones y electrones.

Los antiguos filósofos creían que el mundo se compone de cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Se puede decir que esta posición, teniendo en cuenta ciertos supuestos, encaja en la idea moderna de los cuatro estados agregados de la materia, y el fuego corresponde al plasma. Las propiedades de un plasma son estudiadas por la física del plasma .

Especies

De acuerdo con las ideas actuales, el estado de fase de la mayor parte de la materia bariónica (en masa, aprox. 99,9%) del Universo es plasma. [2] Todas las estrellas están hechas de plasma, e incluso el espacio entre ellas está lleno de plasma, aunque muy enrarecido (ver espacio interestelar ). Por ejemplo, el planeta Júpiter ha concentrado en sí mismo casi toda la materia del sistema solar , que se encuentra en un estado "no plasma" ( líquido , sólido y gaseoso ). Al mismo tiempo, la masa de Júpiter es solo alrededor del 0,1 % de la masa del sistema solar, y el volumen es aún menor: solo el 10-15  %. Al mismo tiempo, las partículas de polvo más pequeñas que llenan el espacio exterior y llevan una cierta carga eléctrica pueden considerarse juntas como un plasma que consiste en iones cargados superpesados ​​(ver plasma polvoriento ).

Las formas más típicas de plasma.
Plasma creado artificialmente Plasma natural terrestre Espacio y plasma astrofísico

Propiedades y Opciones

Definición de plasma

El plasma es un gas parcial o totalmente ionizado en el que las densidades de cargas positivas y negativas son casi las mismas. [4] No todos los sistemas de partículas cargadas pueden llamarse plasma. El plasma tiene las siguientes propiedades: [5] [6] [7]

donde  es la concentración de partículas cargadas.

Clasificación

El plasma generalmente se divide en ideal y no ideal , baja temperatura y alta temperatura , equilibrio y no equilibrio , mientras que con bastante frecuencia el plasma frío no está en equilibrio y el equilibrio caliente.

Temperatura

El plasma se divide en baja temperatura (temperatura inferior a un millón de K ) y alta temperatura (temperatura de un millón de K y superior). Esta división se debe a la importancia del plasma de alta temperatura en el problema de la fusión termonuclear controlada. Diferentes sustancias pasan al estado de plasma a diferentes temperaturas, lo que se explica por la estructura de las capas externas de electrones de los átomos de la sustancia: cuanto más fácilmente el átomo cede un electrón, menor es la temperatura de transición al estado de plasma . 9] .

En un plasma fuera del equilibrio, la temperatura de los electrones excede sustancialmente la temperatura de los iones. Esto se debe a la diferencia en las masas del ion y el electrón, lo que dificulta el proceso de intercambio de energía. Esta situación ocurre en las descargas de gas, cuando los iones tienen una temperatura de unos cientos y los electrones de unas decenas de miles de K.

En un plasma en equilibrio, ambas temperaturas son iguales. Dado que se requieren temperaturas comparables al potencial de ionización para la implementación del proceso de ionización, el plasma de equilibrio suele estar caliente (con una temperatura de más de varios miles de K).

Grado y multiplicidad de ionización

Para que el gas pase al estado de plasma, debe estar ionizado . El grado de ionización es proporcional al número de átomos que ceden o absorben electrones, y sobre todo depende de la temperatura . Incluso un gas débilmente ionizado, en el que menos del 1% de las partículas están en estado ionizado, puede presentar algunas de las propiedades típicas de un plasma (interacción con un campo electromagnético externo y alta conductividad eléctrica ).

El grado de ionización α se define como , donde n i  es la concentración de iones y n a  es la concentración de átomos neutros. La concentración de electrones libres en un plasma sin carga n e está determinada por la relación obvia: , donde — es la carga promedio de los iones del plasma o la multiplicidad de ionización del plasma. Obviamente, el valor máximo de α es igual a 1 (o 100%), tal plasma se llama totalmente ionizado.

Un plasma de baja temperatura se caracteriza por un bajo grado de ionización (hasta 1%). Dado que dichos plasmas se utilizan con bastante frecuencia en procesos tecnológicos, a veces se denominan plasmas tecnológicos. La mayoría de las veces, se crean utilizando campos eléctricos que aceleran los electrones, que a su vez ionizan los átomos. Los campos eléctricos se introducen en el gas por acoplamiento inductivo o capacitivo (ver plasma acoplado inductivamente ). Las aplicaciones típicas del plasma de baja temperatura incluyen la modificación de la superficie del plasma (películas de diamante, nitruración de metales, modificación de la humectabilidad), grabado de la superficie del plasma (industria de semiconductores), purificación de gases y líquidos (ozonización del agua y combustión de hollín en motores diésel).

El plasma caliente casi siempre está completamente ionizado (el grado de ionización es ~100%). Por lo general, es ella quien se entiende como el "cuarto estado de agregación de la materia ". Un ejemplo es el Sol.

La concentración de partículas en un plasma

Aparte de la temperatura, que es de fundamental importancia para la existencia misma de un plasma, la segunda propiedad más importante de un plasma es la concentración de partículas cargadas. La frase concentración de plasma generalmente significa concentración de electrones , es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen. En un plasma casi neutro , la concentración de iones está relacionada con ella por medio del número de carga promedio de iones : . La siguiente cantidad importante es la concentración de átomos neutros . En un plasma caliente , es pequeño, pero sin embargo puede ser importante para la física de procesos en un plasma. Cuando se consideran procesos en un plasma denso no ideal, el parámetro de concentración característico se convierte en , que se define como la relación entre la distancia promedio entre partículas y el radio de Bohr .

Cuasi-neutralidad

Dado que el plasma es un muy buen conductor, las propiedades eléctricas son importantes. El potencial de plasma o potencial espacial es el valor medio del potencial eléctrico en un punto dado del espacio. Si se introduce un cuerpo en el plasma, su potencial será generalmente menor que el potencial del plasma debido a la aparición de la capa de Debye. Tal potencial se llama potencial flotante . Debido a la buena conductividad eléctrica, el plasma tiende a proteger todos los campos eléctricos. Esto conduce al fenómeno de cuasi-neutralidad: la densidad de cargas negativas con una buena precisión es igual a la densidad de cargas positivas ( ). Debido a la buena conductividad eléctrica del plasma, la separación de cargas positivas y negativas es imposible a distancias mayores que la longitud de Debye y en tiempos mayores que el período de oscilaciones del plasma.

Un ejemplo de plasma no casi neutro es un haz de electrones. Sin embargo, la densidad de los plasmas no neutros debe ser muy baja, de lo contrario decaerán rápidamente debido a la repulsión de Coulomb.

Diferencias con el estado gaseoso

El plasma se refiere a menudo como el cuarto estado de la materia . Se diferencia de los tres estados agregados menos energéticos de la materia, aunque es similar a la fase gaseosa en que no tiene forma ni volumen definidos. Hasta ahora, existe una discusión sobre la cuestión de si el plasma es un estado separado de agregación o simplemente un gas caliente. La mayoría de los físicos creen que el plasma es más que un gas, argumentando esta opinión con las siguientes diferencias:

Propiedad Gas Plasma
conductividad eléctrica Extremadamente pequeño
Por ejemplo, el aire es un excelente aislante hasta que pasa a un estado de plasma bajo la influencia de un campo eléctrico externo de 30 kilovoltios por centímetro . [diez]
Muy alto
  1. A pesar de que se produce una caída de potencial pequeña pero finita durante el flujo de corriente, en muchos casos el campo eléctrico en el plasma puede considerarse igual a cero. Los gradientes de densidad asociados con la presencia de un campo eléctrico se pueden expresar en términos de la distribución de Boltzmann.
  2. La capacidad de conducir corrientes hace que el plasma sea muy susceptible a la influencia de un campo magnético, lo que conduce a la aparición de fenómenos como la filamentación, la aparición de capas y chorros.
  3. La presencia de efectos colectivos es típica, ya que las fuerzas eléctricas y magnéticas son de largo alcance y mucho más fuertes que las gravitatorias.
Número de tipos de partículas Uno
Los gases consisten en partículas similares entre sí, que están en movimiento térmico y también se mueven bajo la influencia de la gravedad , e interactúan entre sí solo a distancias relativamente pequeñas.
Dos, tres o más
electrones, iones y partículas neutras difieren en el signo del correo electrónico. cargan y pueden comportarse independientemente unos de otros- tienen velocidades diferentes e incluso temperaturas, lo que provoca la aparición de nuevos fenómenos, como ondas e inestabilidades.
Distribución de velocidad Las colisiones maxwellianas
de partículas entre sí conducen a la distribución de velocidades maxwelliana , según la cual una parte muy pequeña de las moléculas de gas tienen velocidades relativamente grandes.
Puede ser no maxwelliano

Los campos eléctricos tienen un efecto diferente sobre las velocidades de las partículas que las colisiones, que siempre conducen a una maximización de la distribución de velocidades. La dependencia de la velocidad de la sección transversal de colisión de Coulomb puede amplificar esta diferencia, lo que lleva a efectos tales como distribuciones de dos temperaturas y electrones fuera de control .

Tipo de interacciones Binario
Como regla, las colisiones de dos partículas, las colisiones de tres partículas son extremadamente raras.
Colectivo
Cada partícula interactúa con muchas a la vez. Estas interacciones colectivas tienen una influencia mucho mayor que las interacciones de dos cuerpos.

Fenómenos complejos de plasma

Aunque las ecuaciones básicas que describen los estados de un plasma son relativamente simples, en algunas situaciones no pueden reflejar adecuadamente el comportamiento de un plasma real: la ocurrencia de tales efectos es una propiedad típica de los sistemas complejos si se usan modelos simples para describirlos . La mayor diferencia entre el estado real del plasma y su descripción matemática se observa en las denominadas zonas límite, donde el plasma pasa de un estado físico a otro (por ejemplo, de un estado con un bajo grado de ionización a un alto grado de ionización). ionización uno). En este caso, el plasma no puede describirse mediante funciones matemáticas suaves simples o mediante un enfoque probabilístico . Efectos como el cambio espontáneo en la forma del plasma son consecuencia de la complejidad de la interacción de las partículas cargadas que componen el plasma. Dichos fenómenos son interesantes porque se manifiestan abruptamente y no son estables. Muchos de ellos fueron originalmente estudiados en laboratorios y luego encontrados en el universo.

Descripción matemática

El plasma se puede describir en varios niveles de detalle. El plasma generalmente se describe por separado de los campos electromagnéticos. En la teoría de los fenómenos magnetohidrodinámicos o teoría MHD se da una descripción conjunta de un fluido conductor y campos electromagnéticos .

Modelo fluido (líquido)

En el modelo fluido, los electrones se describen en términos de densidad, temperatura y velocidad promedio. El modelo se basa en: la ecuación de equilibrio para la densidad, la ecuación de conservación del momento, la ecuación de equilibrio de energía de electrones. En el modelo de dos fluidos, los iones se consideran de la misma manera.

Descripción cinética

A veces, el modelo fluido es insuficiente para describir el plasma. El modelo cinético da una descripción más detallada, en el que el plasma se describe en términos de la función de distribución de electrones en coordenadas y momentos. El modelo se basa en la ecuación de Boltzmann . La ecuación de Boltzmann no es aplicable para describir el plasma de partículas cargadas con interacción de Coulomb debido a la naturaleza de largo alcance de las fuerzas de Coulomb. Por lo tanto, para describir un plasma con interacción de Coulomb, se utiliza la ecuación de Vlasov con un campo electromagnético autoconsistente creado por partículas de plasma cargadas. La descripción cinética debe aplicarse en ausencia de equilibrio termodinámico o en presencia de fuertes faltas de homogeneidad en el plasma.

Particle-In-Cell (partícula en una celda)

Los modelos Particle-In-Cell se utilizan para resolver numéricamente ecuaciones cinéticas. Incluyen información cinética mediante el seguimiento de las trayectorias de un gran número de cuasipartículas individuales, cada una de las cuales corresponde a un cierto número de partículas reales (la integral de la función de distribución sobre una región limitada en el espacio de fase). Las densidades de carga y corriente eléctricas se determinan sumando la carga y las cuasipartículas en las celdas, que son pequeñas en comparación con el problema en consideración, pero que, sin embargo, contienen una gran cantidad de cuasipartículas. Los campos eléctricos y magnéticos se encuentran a partir de las densidades de carga y las corrientes en los límites de la celda. No confunda los modelos PIC con la integración directa de las ecuaciones de movimiento de las partículas reales que componen el plasma (electrones e iones), ya que el número total de cuasipartículas en los modelos PIC es, por regla general, muchos órdenes de magnitud menor.

Estadísticas básicas

Todas las cantidades se dan en unidades cgs gaussianas excepto la temperatura, que se da en eV y la masa de iones, que se da en unidades de masa de protones ; Z  es el número de carga; k  es la constante de Boltzmann; K  es la longitud de onda; γ es el índice adiabático; ln Λ es el logaritmo de Coulomb.

Frecuencias

Longitudes

Velocidades

Cantidades adimensionales

Varios

Investigación contemporánea

Véase también

Notas

  1. Langmuir I. Oscilaciones en gases ionizados / I. Langmuir // Actas de la Academia Nacional de Ciencias. - 1928. - T. 14. - Nº 8. - S. 627-637.
  2. Vladímir Zhdanov. Plasma en el espacio . La vuelta al mundo Consultado el 21 de febrero de 2009. Archivado desde el original el 22 de agosto de 2011.
  3. Glosario de términos de fusión de IPPEX (enlace no disponible) . Consultado el 5 de marzo de 2009. Archivado desde el original el 8 de marzo de 2008. 
  4. Diccionario enciclopédico físico. cap. edición A. M. Projorov. ed. contar D. M. Alekseev, A. M. Bonch-Bruevich, A. S. Borovik-Romanov y otros Moscú: Sov. Enciclopedia, 1984. - pág. 536
  5. RO Dendy, Plasma Dynamics.
  6. Hillary Walter, Michelle Cooper, Diccionario ilustrado de física
  7. Daniel Hastings, Henry Garrett, Interacciones entre la nave espacial y el medio ambiente
  8. Vladímir Zhdanov. Oscilaciones de plasma (enlace inaccesible) . La vuelta al mundo Consultado el 21 de febrero de 2009. Archivado desde el original el 23 de agosto de 2011. 
  9. Plasma - artículo de la Gran Enciclopedia Soviética
  10. Hong, Alice Fuerza dieléctrica del aire . El libro de hechos de física (2000). Consultado el 5 de marzo de 2009. Archivado desde el original el 23 de agosto de 2011.

Literatura

Enlaces