Plasma (estado de la materia) 1

Plasma (estado de la materia)

Una lámpara de plasma.

En física y química, se denomina plasma al cuarto estado deagregación de la materia, un estado fluido similar al estado gaseosopero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadaseléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético, por eso sonbuenos conductores eléctricos y sus partículas responden fuertemente alas interacciones electromagnéticas de largo alcance.

El plasma presenta características propias que no se dan en los sólidos,líquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregaciónde la materia. Como el gas, el plasma no tiene una forma definida o unvolumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor; pero adiferencia del gas en el que no existen efectos colectivos importantes,el plasma bajo la influencia de un campo magnético puede formarestructuras como filamentos, rayos y capas dobles. Los átomos de esteestado se mueven libremente; cuanto más alta es la temperatura más rápido se mueven los átomos en el gas, y en elmomento de colisionar la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones.[1]

Calentar un gas puede ionizar sus moléculas o átomos (reduciendo o incrementado su número de electrones paraformar iones), convirtiéndolo en un plasma. La ionización también puede ser inducida por otros medios, como laaplicación de un fuerte campo electromagnético mediante un láser o un generador de microondas, y es acompañadopor la disociación de los enlaces covalentes, si están presentes.El plasma es el estado de agregación más abundante de la naturaleza, y la mayor parte de la materia en el Universovisible se encuentra en estado de plasma, la mayoría del cual es el enrarecido plasma intergaláctico (particularmenteel medio del intracluster) y en las estrellas.[2]

Ejemplos de plasmas

El sol quizás sea el ejemplo de plasma másidentificable.

Algunos ejemplos de plasmas son:[3]

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Formas comunes de plasma

Producidos artificialmente Plasmas terrestres Plasmas espaciales y astrofísicos:

• En los televisores o monitores conpantalla de plasma.

• Los rayosdurante unatormenta.

• Las estrellas (por ejemplo, el Sol).

• En el interior de los tubos fluorescentes(iluminación de bajo consumo).[4]

• La ionosfera. • Los vientos solares.

•• En soldaduras de arco eléctrico bajoprotección por gas (TIG, MIG/MAG,etc.)

• La aurora boreal. • El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar),el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el mediointergaláctico (la materia entre las galaxias).

• Materia expulsada para la propulsión decohetes.

• Los discos de acrecimiento.

• La región que rodea al escudo térmico deuna nave espacial durante su entrada enla atmósfera.

• Las nebulosas intergalácticas.

• El interior de los reactores de fusión. •• Ambiplasma• Las descargas eléctricas de uso industrial.• Las bolas de plasma.

Aplicaciones

Las LCF son ejemplo de aplicación del plasma.

La física de plasmas puede encontrar aplicación en diversas áreas:[5]

•• Descargas de gas (electrónica gaseosa).• Fusión termonuclear controlada.•• Física del espacio.•• Astrofísica moderna.• Conversión de energía de MHD (magnetohidrodinámica) y

propulsión iónica.•• Plasmas de estado sólido.• Láseres de gas.

Parámetros de un plasma

Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y concaracterísticas diversas, la primera tarea de la física del plasma esdefinir apropiadamente los parámetros que deciden el comportamientode un plasma. Los principales parámetros son los siguientes:

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Neutralidad y especies presentesEl plasma está formado por igual número de cargas positivas y negativas, lo que anula la carga total del sistema. Ental caso se habla de un plasma neutro o casi-neutro. También existen plasmas no neutros o inestables, como el flujode electrones dentro de un acelerador de partículas, pero requieren algún tipo de confinamiento externo para vencerlas fuerzas de repulsión electrostática.Los plasmas más comunes son los formados por electrones e iones. En general puede haber varias especies de ionesdentro del plasma, como moléculas ionizadas positivas (cationes) y otras que han capturado un electrón y aportanuna carga negativa (aniones).

LongitudesLa longitud de Debye o de apantallamiento electromagnético.[6] También la longitud de una onda plasmaticadepende del contenido cóncavo de su recipiente, el cual influye porque su paralelismo con respecto del eje x sobre latierra afecta la longitud de dicha onda de espectro electromagnético.[cita requerida]

La frecuencia de plasmaAsí como la longitud de Debye proporciona una medida de las longitudes típicas en un plasma, la frecuencia deplasma ( ) describe sus tiempos característicos. Supóngase que en un plasma en equilibrio y sin densidades decarga se introduce un pequeño desplazamiento de todos los electrones en una dirección. Estos sentirán la atracciónde los iones en la dirección opuesta, se moverán hacia ella y comenzarán a oscilar en torno a la posición original deequilibrio. La frecuencia de tal oscilación es lo que se denomina frecuencia de plasma. La frecuencia de plasma delos electrones es:[7]

donde es la masa del electrón y su carga.

Temperatura: velocidad térmica

Los relámpagos son un plasma que alcanza unatemperatura de 27.000 °C.

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

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

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El parámetro de plasmaEl parámetro de plasma ( ) indica el número medio de partículas contenidas en una esfera cuyo radio es lalongitud de Debye (esfera de Debye). La definición de plasma, según la cual la interacción electromagnética de unapartícula con la multitud de partículas distantes domina sobre la interacción con los pocos vecinos próximos, puedeescribirse en términos del parámetro de plasma como .[8][9] Esto es: hay un gran número de partículascontenidas 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 deplasma resulta ser .[10]

El parámetro de plasma de los electrones es:

Modelos teóricosTras conocer los valores de los parámetros descritos en la sección anterior, el estudioso de los plasmas deberáescoger el modelo más apropiado para el fenómeno que le ocupe. Las diferencias entre diferentes modelos residen enel detalle con el que describen un sistema, de modo que se puede establecer así jerarquía en la que descripciones denivel 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 queserían 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 sonmucho más pesados que los electrones, es frecuente analizar la dinámica de los últimos tomando a los iones comoinmóviles o estudiar los movimientos de los iones suponiendo que los electrones reaccionan mucho más rápido y portanto están siempre en equilibrio termodinámico.Puesto que las fuerzas electromagnéticas de largo alcance son dominantes, todo modelo de plasma estará acoplado alas ecuaciones de Maxwell,[11] que determinan los campos electromagnéticos a partir de las cargas y corrientes en elsistema.Los modelos fundamentales más usados en la física del plasma, listados en orden decreciente de detalle, es decir demicroscópicos a macroscópicos, son los modelos discretos, los modelos cinéticos continuos y los modelos de fluidoso hidrodinámicos.

Modelos discretosEl máximo detalle en el modelado de un plasma consiste en describir la dinámica de cada una de sus partículas segúnla segunda ley de Newton. Para hacer esto con total exactitud en un sistema de partículas habría que calcular delorden de interacciones. En la gran mayoría de los casos, esto excede la capacidad de cálculo de los mejoresordenadores actuales.Sin embargo, gracias al carácter colectivo de los plasmas, reflejado en la condición de plasma, es posible unasimplificación que hace mucho más manejable el cálculo. Esta simplificación es la que adoptan los llamadosmodelos numéricos Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-Celda): el espacio del sistema se divide en un número nomuy grande de pequeñas celdas. En cada instante de la evolución se cuenta el número de partículas y la velocidadmedia en cada celda, con lo que se obtienen densidades de carga y de corriente que, insertadas en las ecuaciones deMaxwell permiten calcular los campos electromagnéticos. Tras ello, se calcula la fuerza ejercida por estos campossobre 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 velocidadtérmica es comparable al resto de velocidades características del sistema.

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Modelos cinéticos continuosCuando la densidad de partículas del plasma es suficientemente grande es conveniente reducir la distribución de lasmismas a una función de distribución promediada.[12] Esta representa la densidad de partículas contenida en unaregión infinitesimal del espacio de fases, es decir el espacio cuyas coordenadas son posiciones y cantidades demovimiento. La ecuación que gobierna la evolución temporal de las funciones de distribución es la ecuación deBoltzmann. En el caso particular en el que las colisiones son despreciables la ecuación de Boltzmann se reduce a laecuación de Vlasov, demostrada por Anatoly Vlasov.[13]

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

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

Referencias[1][1] Bittencourt, pp. 1-2[2] Se asegura ocasionalmente que más del 99% de la materia en el universo visible es plasma. Véase, por ejemplo, y 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 ondavisibles. Sin embargo, la mayoría de la materia ordinaria (o bariónica) en el universo se encuentra en el espacio intergaláctico, que es tambiénun plasma, pero mucho más caliente, así que emite radiación primeramente como rayos X. El consenso científico actual es que alrededor del96% de la densidad de energía total en el universo no es plasma o cualquier otra forma de materia ordinaria, sino una combinación de materiaoscura fría y energía oscura.

[3] Plasma science and technology (http:/ / www. plasmas. com/ topics. htm) (en inglés)[4] IPPEX Glossary of Fusion Terms (http:/ / ippex. pppl. gov/ fusion/ glossary. html) (en inglés) Consultado el 28 de octubre de 2011.[5][5] Chen, pp. 13-16[6][6] Bittencourt, pp. 7-8[7][7] Bittencourt, p. 10[8][8] Sturrock, pp. 11-14[9][9] Chen, p. 11[10][10] Bittencourt, p. 9[11][11] Chen, pp. 54-55[12][12] Chen, p. 225[13][13] Chen, pp. 230-236

Bibliografía• Bittencourt, J.A. (2004) (en inglés). Fundamentals of plasma physics (http:/ / books. google. com/

books?id=qCA64ys-5bUC). Ilustrada (3a edición). Springer. pp. 678. ISBN 9780387209753. Consultado el 28 deoctubre de 2011.

• Chen, Francis F. (1984) (en inglés). Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion: Plasma physics(http:/ / books. google. com/ books?id=ToAtqnznr80C). 1. Ilustrada, reimpresa (2a edición). Springer. pp. 421.ISBN 9780306413322. Consultado el 28 de octubre de 2011.

• Sturrock, P.A. (1994) (en inglés). Plasma physics: an introduction to the theory of astrophysical, geophysical, and laboratory plasmas (http:/ / books. google. com/ books?id=jsMFNi2xQzkC). Ilustrada (3a edición).

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Cambridge University Press. pp. 335. ISBN 9780521448109. Consultado el 28 de octubre de 2011.

Enlaces externos• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Plasma. Commons• Arte con plasma (http:/ / www. esnips. com/ web/ Plasma-Art)

Fuentes y contribuyentes del artículo 7

Fuentes y contribuyentes del artículoPlasma (estado de la materia)  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=70351024  Contribuyentes: 2rombos, ARG88, AVIADOR, Acratta, AilenInteligente, Airunp, Akhram,Alexav8, Alfamaster, Alhen, Aluque, Amadís, Andreasmperu, Angel GN, AntoFran, Antur, Antón Francho, Any Rand, Aperezdejuan, Arielge21, Arqeek, Atila rey, Açipni-Lovrij, Baiji, Baranda,Barri, Barteik, Beta15, Biasoli, BlackBeast, Bostok I, Brass hat, Bratex, Buby34, Bucephala, Bucyrus, BuenaGente, Cad, Camilo, Carmin, Cobalttempest, Cookie, Courcelles, Ctrl Z, Cyberdelic,DJ Nietzsche, Darolu, David0811, Diegusjaimes, Dodo, Dove, Dreitmen, Eduardosalg, Elcoru, Emiduronte, Ensada, Er Komandante, Erfil, Ferbr1, Fhaidel, Fito hg, Foundling, Galandil,GermanX, Greek, Gustronico, Götz, Helmy oved, Hprmedina, Humberto, Igna, Iree7, Isha, Iulius1973, J.M.Domingo, JABO, JaviMad, Jkbw, Jmvgpartner, Jorge c2010, JorgeGG, Julianfu,Juniperus, Kostisl, Kurtan, Leonpolanco, LlamaAl, Loco085, Lordsito, Lucas siglo21, Luisminho 76, Magister Mathematicae, Mammotusk, Manolo Sánchez, Mansoncc, Manuelt15, Manwë,MarcoAurelio, Matdrodes, Matiasalba46, Mel 23, Milestones, Molta, Moriel, Mpeinadopa, NACLE, Naiad, Nicahan 1, Nicop, Ninrouter, Nixón, Nolaiz, OboeCrack, Orgullomoore, Ortisa, Oscar., Pan con queso, Pedro Felipe, Petruss, Pipelandia09, Poco a poco, Portland, Pólux, Queninosta, Ramirookok, Raystorm, Razlong, Retama, RobertoLP, Rondador, Rrmsjp, Scuaret,SdgPlasmaArt, Sebrev, Simeón el Loco, Snakeeater, Sofii abello, Spitetests, Sultán81, SuperBraulio13, Tano4595, Taty2007, Tavo 11, Technopat, Template namespace initialisation script,Tirithel, Tomatejc, Torquemado, UA31, UAwiki, Unificacion, Varano, Vitamine, Waka Waka, XalD, Xvazquez, Yeza, Yrithinnd, ZrzlKing, Zupez zeta, 660 ediciones anónimas

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