¿Qué es el plasma?

Plasma

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Lámpara de plasma

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Lámpara de plasma

El plasma (plasma, plasma, inglés: Plasma) es un gas ionizado. Debido a la presencia de electrones libres ionizados e iones cargados, el plasma tiene una alta conductividad eléctrica y. Tiene un fuerte efecto de acoplamiento con el campo electromagnético. El estado de plasma existe ampliamente en el universo y a menudo se considera como el cuarto estado de la materia (algunos también lo llaman el "estado supergaseoso"). El plasma fue descubierto por Crookes en 1879, y Langliol utilizó por primera vez la palabra "plasma" en 1928.

Índice

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*

*

o 2.1 Ionización

o

o 2.3 Distribución de tasas

* 3 Ver

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Plasmas comunes

El plasma es el estado de la materia más extendido. El 99% de la materia observada actualmente en el universo es plasma.

*Plasma artificial

o Gas ionizado en lámparas fluorescentes y tubos de neón

o Gas ionizado a alta temperatura en experimentos de fusión nuclear

o Arco de alta temperatura producido durante la soldadura eléctrica

*Plasma en la Tierra

o Llama (parte superior de alta temperatura)

o Rayo

o Ionosfera en la atmósfera

o Aurora

* Plasma en el espacio

o Estrellas

o Viento solar

o Materia interplanetaria

o Materia interestelar

o Nebulosa

*Otros plasmas

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Propiedades del plasma

El estado del plasma a menudo se denomina "estado supergaseoso". Tiene muchas similitudes con los gases, como por ejemplo: no tiene forma ni volumen definidos ni propiedades de flujo, pero el plasma también tiene muchas propiedades únicas.

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Ionización

La mayor diferencia entre el plasma y el gas ordinario es que es un gas ionizado. Debido a la presencia de electrones libres cargados negativamente e iones cargados positivamente, tiene una alta conductividad eléctrica y un fuerte acoplamiento con el campo electromagnético: las partículas cargadas pueden acoplarse con el campo eléctrico y el flujo de partículas cargadas puede acoplarse con el campo magnético. . La electrodinámica se utiliza para describir el plasma y se desarrolló una teoría llamada magnetohidrodinámica.

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Partículas componentes

A diferencia de los gases ordinarios, el plasma contiene de dos a tres componentes diferentes de partículas: electrones libres, iones cargados positivamente y átomos sindicalizados. Esto nos permite definir diferentes temperaturas para diferentes componentes: temperatura de electrones y temperatura de iones. En el plasma ligeramente ionizado, la temperatura de los iones es generalmente mucho más baja que la temperatura de los electrones y se denomina "plasma de baja temperatura". El plasma altamente ionizado con altas temperaturas de iones y electrones se denomina "plasma de alta temperatura".

En comparación con los gases comunes, la interacción entre las partículas de plasma también es mucho mayor.

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Distribución de velocidad

Generalmente, la distribución de velocidad de los gases satisface la distribución de Maxwell, pero el plasma puede desviarse de la distribución de Maxwell debido al acoplamiento con el campo eléctrico.

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Ver

* Física del plasma

Tomado de "fenómenos complejos de un plasma, incluida la filamentación

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Una lámpara de plasma, que ilustra algunos de los fenómenos más complejos del plasma, incluida la filamentación.

En física y química, un plasma es un gas ionizado y Generalmente se considera una fase distinta de la materia. "Ionizado" en este caso significa que se ha eliminado al menos un electrón de una fracción significativa de las moléculas. Las cargas eléctricas libres hacen que el plasma sea eléctricamente conductor, de modo que se acopla fuertemente a la energía electromagnética. campos Este cuarto estado de la materia fue identificado por primera vez por Sir William Crookes en 1879 y denominado "plasma" por Irving Langmuir en 1928, porque le recordaba al plasma sanguíneo Ref.

Contenido

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* 1 Plasmas comunes

* 2 Características

o 2.1 Escalado del plasma

o 2.2 Temperaturas

o 2.3 Densidades

o 2.4 Potenciales

* 3 En contraste con la fase gaseosa

* 4 Fenómenos de plasma complejos

*5 Plasmas ultrafríos

*6 Descripciones matemáticas

o 6.1 Fluido

o 6.2 Cinético

o 6.3 Partícula en celda

* 7 Parámetros fundamentales del plasma

o 7.1 Frecuencias

o 7.2 Longitudes

o 7.3 Velocidades

o 7.4 Adimensional

o 7.5 Varios

* 8 Campos de investigación activa

* 9 S

ee también

* 10 Enlaces externos

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Plasmas comunes

Una eyección de masa coronal solar lanza plasma por todo el Sistema Solar . fase mon de la materia. Todo el universo visible fuera del Sistema Solar es plasma, ya que todo lo que podemos ver son estrellas. Dado que el espacio entre las estrellas está lleno de plasma, aunque es muy escaso (ver medio interestelar e intergaláctico). , esencialmente todo el volumen del universo es plasma. En el Sistema Solar, el planeta Júpiter representa la mayor parte del no plasma, sólo alrededor del 0,1% de la masa y también entre el 10 y el 15 del volumen dentro de la órbita de Alfvén. señaló que debido a su carga eléctrica, los granos muy pequeños también se comportan como iones y forman parte de un plasma (ver plasmas polvorientos).

Las formas de plasma más comunes incluyen:

* Artificialmente producido

o Dentro de lámparas fluorescentes (iluminación de bajo consumo de energía), letreros de neón

o Escape de cohetes

o El área frente al escudo térmico de una nave espacial durante el reingreso a la atmósfera

o Investigación de la energía de fusión

o El arco eléctrico en una lámpara de arco o un soldador de arco

o Bola de plasma (a veces llamada esfera de plasma o esfera de plasma globo)

* Plasmas terrestres

o Llamas (es decir, fuego)

o Rayos

o La ionosfera

o Las auroras polares

*Espaciales y astrofísicas

o El Sol y otras estrellas (que son plasmas calentados

por fusión nuclear)

o El viento solar

o El medio Interplanetario (el espacio entre los planetas)

o El medio Interestelar (el espacio entre los sistemas estelares) )

o El medio intergaláctico (el espacio entre galaxias)

o El tubo de flujo Io-Júpiter

o Los discos de acreción

o Nebulosas interestelares

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Características

El término plasma generalmente se reserva para un sistema de partículas cargadas lo suficientemente grandes como para comportarse incluso parcialmente como tal. El gas ionizado en el que tan solo el 1% de las partículas están ionizadas puede tener las características de un plasma (es decir, responder a campos magnéticos y ser altamente conductor de electricidad).

En términos técnicos, las características típicas de un plasma son:

1. Longitudes de detección de Debye que son cortas en comparación con el tamaño físico del plasma.

2. Gran cantidad de partículas dentro de una esfera con un radio de la longitud de Debye .

3. El tiempo medio entre colisiones suele ser largo en comparación con el período de oscilaciones del plasma.

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Escamación del plasma

Los plasmas y sus características existen en una amplia gama de escalas (es decir, son escalables en muchos órdenes de magnitud). El siguiente cuadro trata sólo de plasmas atómicos convencionales y no de otros fenómenos exóticos, como los plasmas de quarks y gluones:

Rangos de escala de plasma típicos: órdenes de magnitud (OOM)

Características Plasmas terrestres Cósmicos

plasmas

Tamaño

en metros (m) 10-6 m (plasmas de laboratorio) a:

102 m (rayo) (~8 OOM) 10- 6 m (funda de nave espacial) a

1025 m (nebulosa intergaláctica) (~31 OOM)

Vida útil

en segundos (s) 10-12 s ( plasma producido por láser) a:

107 s (luces fluorescentes) (~19 OOM) 101 s (llamaradas solares) a:

1017 s (plasma intergaláctico) (~17 OOM )

Densidad

en partículas por

metro cúbico 107 a:

1021 (plasma de confinamiento inercial) 1030 (núcleo estelar) a :

100 (es decir, 1) (medio intergaláctico)

Temperatura

en kelvins (K) ~0 K (plasma cristalino no neutro[2] ) a:

108 K (plasma de fusión magnética) 102 K (aurora) a:

107 K (núcleo solar)

Campos magnéticos

en teslas (T) 10-4 T (plasma de laboratorio) a:

103 T (plasma de potencia pulsada) 10-12 T (medio intergaláctico) a:

107 T (núcleo solar)

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Temperaturas

El electrodo central de una lámpara de plasma, que muestra un plasma azul brillante que fluye hacia arriba. Los colores son. como resultado de la recombinación radiativa de electrones e iones y la relajación de los electrones en estados excitados de regreso a estados de menor energía. Estos procesos emiten luz en un espectro característico del gas que se excita.

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El electrodo central de una lámpara de plasma, que muestra un plasma azul brillante que fluye hacia arriba. Los colores son el resultado de la recombinación radiativa de electrones e iones y la relajación de los electrones en estados excitados de regreso a estados de menor energía.

Los procesos emiten luz en un espectro característico del gas que se excita.

La característica definitoria de un plasma es la ionización, aunque la ionización puede ser causada por radiación ultravioleta, partículas energéticas o campos eléctricos fuertes (procesos que. tiende a dar como resultado una función de distribución de electrones no Maxwelliana), más comúnmente es causada por el calentamiento de los electrones de tal manera que están cerca del equilibrio térmico, por lo que la temperatura de los electrones está relativamente bien definida debido a la gran masa de los iones. En relación con los electrones dificulta la transferencia de energía, es posible que la temperatura del ion sea muy diferente (generalmente más baja) de la temperatura del electrón.

El grado de ionización está determinado por la temperatura del electrón en relación con la ionización. energía (y más débilmente por la densidad) de acuerdo con la ecuación de Saha Si sólo una pequeña fracción de las moléculas de gas están ionizadas (por ejemplo, el 1%), entonces se dice que el plasma es un plasma frío, incluso aunque la temperatura del electrón. Normalmente es de varios miles de grados. La temperatura de los iones en un plasma frío suele estar cerca de la temperatura ambiente. Debido a que los plasmas utilizados en la tecnología del plasma suelen ser fríos, a veces se les llama plasmas tecnológicos. A menudo se crean utilizando un campo eléctrico muy alto. aceleran los electrones, que luego ionizan los átomos. El campo eléctrico se acopla al gas de forma capacitiva o inductiva por medio de una fuente de plasma, por ejemplo, microondas.

Las aplicaciones de los plasmas fríos incluyen la deposición química de vapor mejorada con plasma, el dopaje de iones de plasma y el grabado con iones reactivos.

Un plasma caliente, por otro lado, está casi completamente ionizado. Esto es lo que comúnmente se conocería como. el "cuarto estado de la materia". El Sol es un ejemplo de plasma caliente. Es más probable que los electrones y los iones tengan temperaturas iguales en un plasma caliente, pero aún puede haber diferencias significativas.

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Densidades

Junto a la temperatura, que es de fundamental importancia para la existencia misma de un plasma, la propiedad más importante es la densidad. La palabra "densidad del plasma". por sí solo generalmente se refiere a la densidad de electrones, es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen. La densidad de iones está relacionada con esto por el estado de carga promedio \langle Z\rangle de los iones a través de n_e=\langle Z\rangle n_i. (Ver cuasineutralidad a continuación.) La tercera cantidad importante es la densidad de los neutros n0. En un plasma caliente, esto es pequeño, pero aún puede determinar una física importante. El grado de ionización es ni / (n0 + ni).

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Potenciales

Los rayos son un ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra. Normalmente, los rayos descargan 30 mil amperios, hasta 100 millones de voltios, y emiten luz. , ondas de radio, rayos X e incluso rayos gamma [1]. Ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra.

, los rayos descargan 30 mil amperios, hasta 100 millones de voltios, y emiten luz, ondas de radio, rayos X e incluso rayos gamma [1]. Las temperaturas del plasma en los rayos pueden acercarse a los 28.000 kelvin y las densidades de electrones pueden superar los 1024/m3.

Dado que los plasmas son muy buenos conductores, los potenciales eléctricos juegan un papel importante. El potencial tal como existe en promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de cómo se puede medir, se llama potencial de plasma. o el potencial espacial Si se inserta un electrodo en un plasma, su potencial generalmente estará muy por debajo del potencial del plasma debido al desarrollo de una vaina de Debye. Debido a la buena conductividad eléctrica, los campos eléctricos en los plasmas tienden a ser muy pequeños. , aunque cuando se forman capas dobles, la caída de potencial puede ser lo suficientemente grande como para acelerar los iones a velocidades relativistas y producir radiación sincrotrón como los rayos X y los rayos gamma. Esto da como resultado el importante concepto de cuasineutralidad, que dice que, por un lado, Por un lado, es una muy buena aproximación suponer que la densidad de cargas negativas es igual a la densidad de cargas positivas (n_e=\langle Z\rangle n_i), pero que, por otro lado, se puede suponer que existen campos eléctricos. según sea necesario para la física en cuestión.

La magnitud de los potenciales y los campos eléctricos debe determinarse por medios distintos a simplemente encontrar la densidad de carga neta. Un ejemplo común es suponer que los electrones satisfacen la.

Relación de Boltzmann, n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}. Diferenciar esta relación proporciona un medio para calcular el campo eléctrico a partir de la densidad: \vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e).

Por supuesto, es posible producir un plasma que no sea casi neutro. Un haz de electrones, por ejemplo, sólo tiene cargas negativas. La densidad de un plasma no neutro debe ser generalmente muy baja o. debe ser muy pequeño, de lo contrario será disipado por la fuerza electrostática repulsiva.

En los plasmas astrofísicos, la detección de Debye evita que los campos eléctricos afecten directamente al plasma en grandes distancias (es decir, mayores que la longitud de Debye). Pero la existencia de partículas cargadas hace que el plasma genere y se vea afectado por campos magnéticos, lo que puede provocar y provoca comportamientos extremadamente complejos, como la generación de dobles capas de plasma, un objeto que separa la carga en unas pocas decenas de longitudes de Debye. La dinámica de los plasmas que interactúan con campos magnéticos externos y autogenerados se estudia en la disciplina académica de la magnetohidrodinámica.

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A diferencia de la fase gaseosa

< El plasma a menudo se denomina cuarto estado de la materia. Se diferencia de las tres fases de menor energía de la materia: sólida, líquida y gaseosa, aunque está estrechamente relacionado con la fase gaseosa en el sentido de que tampoco tiene una forma definida. Volumen Todavía hay cierto desacuerdo sobre si un plasma es un estado distinto de la materia o simplemente un tipo de gas. La mayoría de los físicos lo consideran un plasma.

ser más que un gas debido a una serie de propiedades distintas, incluidas las siguientes:

Propiedad del plasma gaseoso

Conductividad eléctrica Muy baja

Muy alta

1. Para muchos propósitos, el campo eléctrico en un plasma puede tratarse como cero, aunque cuando fluye corriente la caída de voltaje, aunque pequeña, es finita, y los gradientes de densidad generalmente se asocian con un campo eléctrico de acuerdo con la relación de Boltzmann. .

2. La posibilidad de corrientes acopla fuertemente el plasma a los campos magnéticos, que son responsables de una gran variedad de estructuras como filamentos, láminas y chorros.

3. Colectivo Los fenómenos son comunes porque las fuerzas eléctricas y magnéticas son de largo alcance y potencialmente de muchos órdenes de magnitud más fuertes que las fuerzas gravitacionales.

Especies que actúan independientemente Uno Dos o tres

Electrones, iones, y los neutros se pueden distinguir por el signo de su carga de modo que se comportan de forma independiente en muchas circunstancias, teniendo diferentes velocidades o incluso diferentes temperaturas, dando lugar a nuevos tipos de ondas e inestabilidades, entre otras cosas

Distribución de velocidades maxwelliana Puede ser no maxwelliano

Mientras que las interacciones de colisión siempre conducen a una distribución de velocidad maxwelliana, los campos eléctricos influyen en las velocidades de las partículas de manera diferente. La dependencia de la velocidad de la sección transversal de colisión de Coulomb puede amplificar estas diferencias, dando como resultado fenómenos como dos. -distribuciones de temperatura y ejecución

electrones alejados.

Interacciones binarias

Las colisiones de dos partículas son la regla, las colisiones de tres cuerpos son extremadamente raras.

Cada partícula interactúa simultáneamente con muchas otras. Estas interacciones colectivas son unas diez veces más importantes que las colisiones binarias.

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Fenómenos de plasma complejos

Remanente de supernova de Tycho, una enorme bola de expansión. Langmuir acuñó el nombre plasma debido a su similitud con el plasma sanguíneo, y Hannes Alfvén notó su naturaleza celular. Tenga en cuenta también la capa exterior azul filamentosa de rayos X que emite electrones de alta velocidad. >

Remanente de supernova de Tycho, una enorme bola de plasma en expansión. Langmuir acuñó el nombre de plasma debido a su similitud con el plasma sanguíneo, y Hannes Alfvén notó su naturaleza celular. Tenga en cuenta también la capa exterior filamentosa de color azul que emite rayos X. electrones de velocidad

El plasma puede exhibir un comportamiento complejo y, así como las propiedades del plasma varían en muchos órdenes de magnitud (consulte la tabla anterior), también lo hacen estas características complejas. Muchas de estas características se estudiaron por primera vez en el laboratorio. en años más recientes, se han aplicado y reconocido en todo el universo. Algunas de estas características incluyen:

* Filamento, las estrías o "cosas fibrosas" que se ven en una "bola de plasma", la aurora, relámpagos y nebulosas. Son causados ​​por mayores densidades de corriente, y también se denominan cuerdas magnéticas o cables de plasma.

* Doble capa, separación de carga localizada.

Regiones que tienen una gran diferencia de potencial a través de la capa y un campo eléctrico que se desvanece en cada lado. Se encuentran capas dobles entre regiones de plasma adyacentes con diferentes características físicas, y pueden acelerar iones y producir radiación de sincrotrón (como rayos X y rayos gamma). ).

* Corrientes de Birkeland, una corriente eléctrica alineada con un campo magnético, observada por primera vez en la aurora de la Tierra y que también se encuentra en los filamentos de plasma.

* Las corrientes de Birkeland implican corrientes eléctricas. Circuitos que siguen las leyes de circuitos de Kirchhoff. Los circuitos tienen resistencia e inductancia, y el comportamiento del plasma depende de todo el circuito. Estos circuitos también almacenan energía inductiva y, si el circuito se interrumpe, por ejemplo, debido a una inestabilidad del plasma. se liberará energía inductiva en el plasma.

* Estructura celular. Las capas dobles del plasma pueden separar regiones con diferentes propiedades, como magnetización, densidad y temperatura, lo que da como resultado regiones similares a células. heliosfera y lámina de corriente heliosférica.

* Velocidad de ionización crítica en la que la velocidad relativa entre un plasma ionizado y un gas neutro puede causar una mayor ionización del gas, lo que resulta en una mayor influencia de las fuerzas electromagnéticas.

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Plasmas ultrafríos

También es posible crear plasmas ultrafríos mediante el uso de láseres para atrapar y enfriar átomos neutros a temperaturas de 1 mK o menos. Otro láser el

n ioniza los átomos dándole a cada uno de los electrones más externos la energía suficiente para escapar de la atracción eléctrica de su ion padre.

El punto clave sobre los plasmas ultrafríos es que al manipular los átomos con láseres, la energía cinética de Los electrones liberados se pueden controlar utilizando láseres pulsados ​​​​estándar, la energía de los electrones se puede hacer corresponder a una temperatura tan baja como 0,1 K? un límite establecido por el ancho de banda de frecuencia del pulso láser. Los iones, sin embargo, retienen el mikelvin. Las temperaturas de los átomos neutros. Este tipo de plasma ultrafrío en desequilibrio evoluciona rápidamente y muchas preguntas fundamentales sobre su comportamiento siguen sin respuesta. Los experimentos realizados hasta ahora han revelado dinámicas y comportamientos de recombinación sorprendentes que están superando los límites de nuestro conocimiento de la física del plasma.

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Descripciones matemáticas

Los plasmas pueden describirse de manera útil con varios niveles de detalle, independientemente de cómo se describa el plasma en sí, si se trata de campos eléctricos o magnéticos. presente, entonces se necesitarán las ecuaciones de Maxwell para describirlos. El acoplamiento de la descripción de un fluido conductor a campos electromagnéticos se conoce generalmente como magnetohidrodinámica, o simplemente MHD.

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Fluido

La posibilidad más simple es tratar el plasma como un fluido único regido por las ecuaciones de Navier Stokes. Una descripción más general es la imagen de dos fluidos, donde los iones y los electrones se consideran distintos.

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Pariente

etic

En algunos casos la descripción del fluido no es suficiente. Modelos cinéticos inc