Plasma (física)

El plasma se denomina el cuarto estado de la materia después del sólido , el líquido y el gas . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} Es un estado de la materia en el que una sustancia ionizada se vuelve altamente conductora eléctricamente hasta el punto de que los campos eléctricos y magnéticos de largo alcance dominan su comportamiento. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

El plasma es típicamente un medio eléctricamente cuasineutral de partículas positivas y negativas no ligadas (es decir, la carga total del plasma es aproximadamente cero). Aunque estas partículas no están ligadas, 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 afectada por los campos creados por las demás cargas. A su vez, esto rige el comportamiento colectivo con muchos grados de variación. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

El plasma se distingue de los demás estados de la materia. En particular, describir un plasma de baja densidad simplemente como un "gas ionizado" es erróneo y engañoso, aunque se asemeja a la fase gaseosa en que ambos carecen de forma o volumen definidos. La siguiente tabla resume algunas de las principales diferencias:

Tres factores definen un plasma ideal: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• La aproximación de plasma : La aproximación de plasma se aplica cuando el parámetro de plasma Λ, ^{[ 25 ]} que representa el número de portadores de carga dentro de la esfera de Debye es mucho mayor que la unidad. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Se puede demostrar fácilmente que este criterio es equivalente a una pequeña relación entre las densidades de energía electrostática y térmica del plasma. Dichos plasmas se denominan débilmente acoplados. ^{[ 26 ]}
• Interacciones en el interior del plasma : La longitud de Debye es mucho menor que el tamaño físico del plasma. Este criterio implica que las interacciones en el interior del plasma son más importantes que las que ocurren en sus bordes, donde pueden tener lugar efectos de contorno. Cuando se cumple este criterio, el plasma es cuasineutral. ^{[ 27 ]}
• Sin colisiones : La frecuencia de plasma de los electrones (que mide las oscilaciones del plasma de los electrones) es mucho mayor que la frecuencia de colisión electrón-neutro. Cuando se cumple esta condición, las interacciones electrostáticas predominan sobre los procesos de la cinética de gases ordinaria. Dichos plasmas se denominan sin colisiones. ^{[ 28 ]}

La intensidad y el alcance de la fuerza eléctrica, junto con 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, compuesto por una sola especie, se denomina plasma no neutro . En dicho plasma, los campos eléctricos desempeñan un papel dominante. Ejemplos de ello son los haces de partículas cargadas , una nube de electrones en una trampa de Penning y los plasmas de positrones. ^{[ 29 ]}

Un plasma polvoriento contiene diminutas partículas de polvo cargadas (que se encuentran típicamente en el espacio). Estas partículas adquieren altas cargas e interactúan entre sí. Un plasma que contiene partículas más grandes se denomina plasma granular. En condiciones de laboratorio, los plasmas polvorientos también se denominan plasmas complejos . ^{[ 30 ]}

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

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

dónde${\displaystyle n_{i}}$es la densidad de iones y${\displaystyle n_{n}}$la densidad neutra (en número de partículas por unidad de volumen). En el caso de materia totalmente ionizada,${\displaystyle \alpha =1}$Debido a la cuasineutralidad del plasma, las densidades de electrones e iones están relacionadas por${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$, dónde${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$es la carga iónica promedio (en unidades de la carga elemental ).

La temperatura del plasma, comúnmente medida en kelvin o electronvoltios , es una medida de la energía cinética térmica por partícula. Generalmente se requieren 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 electrónica en relación con la energía de ionización (y, en menor medida, por la densidad). En equilibrio térmico , la relación viene dada por la ecuación de Saha . A bajas temperaturas, los iones y electrones tienden a recombinarse en estados ligados —átomos ^{[ 32 ]} — y el plasma eventualmente se convertirá en un gas en ausencia de otros mecanismos de ionización.

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 se aproxima a una distribución maxwelliana incluso en presencia de campos eléctricos o magnéticos intensos . Sin embargo, debido a la gran diferencia de masa entre electrones e iones, sus temperaturas pueden ser diferentes, a veces de forma significativa. 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 kelvin. ^{[ 33 ]} El caso opuesto es el plasma de z-pinch, donde la temperatura de los iones puede superar la de los electrones. ^{[ 34 ]}

Dado que los plasmas son muy buenos conductores eléctricos , los potenciales eléctricos juegan un papel importante. El potencial promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de cómo se pueda medir, se llama "potencial de plasma" 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 una 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 (${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$), pero en la escala de la longitud de Debye , puede haber un desequilibrio de carga. En el caso especial de que se formen capas dobles , la separación de carga puede extenderse algunas decenas de longitudes de Debye. ^{[ 36 ]}

La magnitud de los potenciales y campos eléctricos debe determinarse por medios distintos a la simple determinación de la densidad de carga neta . Un ejemplo común es suponer que los electrones satisfacen la relación de Boltzmann : $${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

Al diferenciar esta relación, se obtiene 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, solo tiene cargas negativas. La densidad de un plasma no neutro generalmente debe ser muy baja, o debe ser muy pequeña; de lo contrario, se disipará por la fuerza electrostática repulsiva . ^{[ 37 ]}

La existencia de partículas cargadas hace que el plasma genere campos magnéticos y se vea afectado por ellos. Se dice que un 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, completa al menos una vuelta alrededor de la línea del campo magnético antes de colisionar, es decir,${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$, dónde${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$es la girofrecuencia electrónica y${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$es la tasa de colisión de electrones. A menudo ocurre que los electrones están magnetizados mientras que los iones no lo están. Los plasmas magnetizados son anisotrópicos , lo que significa que sus propiedades en la dirección paralela al campo magnético son diferentes de las perpendiculares a él. 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${\displaystyle \mathbf {v} }$en el campo magnético${\displaystyle \mathbf {B} }$viene dada por la fórmula de Lorentz habitual${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$y no se ve afectado por el apantallamiento de Debye . ^{[ 38 ]}

Los modelos de fluidos describen los plasmas en términos de cantidades suavizadas, como la densidad y la velocidad promedio alrededor de cada posición (véase Parámetros del plasma ). Un modelo de fluidos simple, la magnetohidrodinámica , trata el plasma como un solo fluido regido por una combinación de las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de Navier-Stokes . Una descripción más general es el plasma de dos fluidos, ^{[ 40 ]} donde los iones y los electrones se describen por separado. Los modelos de fluidos suelen ser precisos cuando la colisionalidad es suficientemente alta como para mantener la distribución de 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 solo flujo a una cierta temperatura en cada ubicación espacial, no pueden capturar estructuras del espacio de velocidades como haces o capas dobles , ni resolver efectos de onda-partícula.

Los modelos cinéticos describen la función de distribución de velocidad de las partículas en cada punto del plasma y, por lo tanto, no necesitan asumir una distribución de Maxwell-Boltzmann . Una descripción cinética suele ser necesaria para plasmas sin colisiones. Existen dos enfoques comunes para la descripción cinética de un plasma. Uno se basa en representar la función de distribución suavizada en una cuadrícula en términos de velocidad y posición. El otro, conocido como técnica de partículas en celda (PIC), incluye información cinética al seguir las trayectorias de un gran número de partículas individuales. Los modelos cinéticos generalmente requieren mayor capacidad de cálculo que los modelos de fluidos. La ecuación de Vlasov puede utilizarse 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 coste computacional de una simulación completamente cinética.

El plasma constituye más del 99% de la materia observada en el universo visible . ^{[ 41 ]} Por encima de la superficie terrestre, la ionosfera es un plasma, ^{[ 42 ]} y la magnetosfera contiene plasma. ^{[ 43 ]} Dentro del Sistema Solar, el espacio interplanetario está lleno del 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 a 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. ^{[ 44 ]} El plasma está asociado con la eyección de material en chorros astrofísicos , que se han observado con agujeros negros en acreción ^{[ 45 ]} o en galaxias activas como el chorro de M87 que posiblemente se extiende hasta 5000 años luz. ^{[ 46 ]}

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 entorno de laboratorio y para uso industrial se puede clasificar generalmente de la siguiente manera:

• El tipo de fuente de energía utilizada para generar el plasma: CC, CA (normalmente con radiofrecuencia (RF)) y microondas.
• 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)
• El grado de ionización dentro del plasma: totalmente, parcialmente o débilmente ionizado.
• Las relaciones de temperatura dentro del plasma—plasma térmico (${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$), plasma no térmico o "frío" (${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$)
• La configuración de electrodos utilizada para generar el plasma.
• La magnetización de las partículas dentro del plasma: magnetizado (tanto los iones como los electrones están atrapados en órbitas de Larmor por el campo magnético), parcialmente magnetizado (los electrones, pero no los iones, están atrapados por el campo magnético), no magnetizado (el campo magnético es demasiado débil para atrapar las partículas en órbitas, pero puede generar fuerzas de Lorentz ).

Generación de plasma artificial

Al igual que los múltiples usos del plasma, existen varios métodos para su generación. Sin embargo, un principio es común a todos ellos: se requiere un aporte de energía para producirlo y mantenerlo. ^{[ 47 ]} En este caso, el plasma se genera al aplicar una corriente eléctrica a través de un gas o fluido dieléctrico (un material no conductor de electricidad ), como se puede observar en la imagen adjunta, que muestra un tubo de descarga como ejemplo sencillo ( se utiliza corriente continua para simplificar).

La diferencia de potencial y el campo eléctrico resultante atraen a los electrones ligados (negativos) hacia el ánodo (electrodo positivo) mientras que el cátodo (electrodo negativo) atrae al núcleo. ^{[ 48 ]} A medida que aumenta el voltaje , la corriente somete al material (por polarización eléctrica ) a una tensión que supera su límite dieléctrico (denominado rigidez dieléctrica) hasta una etapa de ruptura eléctrica , marcada por una chispa eléctrica , donde el material se transforma de aislante a 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 resulta en un ion y dos electrones. Por lo tanto, el número de partículas cargadas aumenta rápidamente (en millones) solo "después de aproximadamente 20 conjuntos sucesivos de colisiones", ^{[ 49 ]} principalmente debido a un pequeño camino libre medio (distancia promedio recorrida entre colisiones).

Arco voltaico

El arco eléctrico es una descarga eléctrica continua entre dos electrodos, similar a un rayo . Con una densidad de corriente suficiente, la descarga forma un arco luminoso, donde el material entre los electrodos (generalmente un gas) experimenta diversas etapas: saturación, ruptura, descarga luminiscente, transición y arco térmico. El voltaje alcanza su máximo en la etapa de saturación y, posteriormente, experimenta fluctuaciones propias de las distintas etapas, mientras que la corriente aumenta progresivamente. ^{[ 49 ]} La resistencia eléctrica a lo largo del arco genera calor , que disocia más moléculas de gas e ioniza los átomos resultantes. Por lo tanto, la energía eléctrica se transfiere a los electrones, los cuales, debido a su gran movilidad y número, pueden dispersarla rápidamente mediante colisiones elásticas con las partículas pesadas. ^{[ 50 ]}

Se observan estrías o estructuras filamentosas ^{[ 66 ]} en muchos plasmas, como la bola de plasma , la aurora , ^{[ 67 ]} los relámpagos , ^{[ 68 ]} los arcos eléctricos , las erupciones solares ^{[ 69 ]} y los remanentes de supernovas . ^{[ 70 ]} A veces se asocian con mayores densidades de corriente, y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética . ^{[ 71 ]} (Véase también Pinzamiento de plasma )

La filamentación también se refiere al autoenfoque de un pulso láser de alta potencia. A altas potencias, la parte no lineal del índice de refracción cobra importancia y provoca un índice de refracción mayor en el centro del haz láser, donde el láser es más brillante que en los bordes, lo que genera una retroalimentación que enfoca aún más el láser. El láser, al estar más enfocado, tiene un brillo máximo (irradiancia) mayor que forma un plasma. El plasma tiene un índice de refracción menor que uno y provoca la desenfoque del haz láser. La interacción entre el índice de refracción de enfoque y el plasma desenfoque da lugar a la formación de un filamento largo de plasma que puede tener longitudes desde micrómetros hasta kilómetros. ^{[ 72 ]} Un aspecto interesante del plasma generado por filamentación es la densidad iónica relativamente baja debido a los efectos de desenfoque de los electrones ionizados. ^{[ 73 ]} (Véase también Propagación de filamentos )

El plasma impermeable es un tipo de plasma térmico que se comporta como un sólido impermeable frente a un gas o plasma frío y puede ser empujado físicamente. La interacción entre gas frío y plasma térmico fue estudiada brevemente por un grupo liderado 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. ^{[ 74 ]} Sin embargo, posteriormente se descubrió que los campos magnéticos externos en esta configuración podían inducir inestabilidades de torsión en el plasma y, en consecuencia, provocar una pérdida de calor inesperadamente alta hacia las paredes. ^{[ 75 ]}

En 2013, un grupo de científicos de materiales informó haber generado con éxito un plasma estable e impermeable sin confinamiento magnético utilizando únicamente una capa de gas frío a ultra alta presión. 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 sugirió claramente un confinamiento efectivo. También demostraron que, al mantener la impermeabilidad durante unas decenas de segundos, el apantallamiento de iones en la interfaz plasma-gas podía dar lugar a un fuerte modo secundario de calentamiento (conocido como calentamiento viscoso), lo que conllevaba diferentes cinéticas de reacción y la formación de nanomateriales complejos . ^{[ 76 ]}