Plasma

Arriba: Os lóstregos e as luces de neon son xeradores habituais de plasma. Abaixo á esquerda: Unha lámpada de plasma, que ilustra algúns dos fenómenos plasmáticos máis complexos, como a filamentación. Abaixo á dereita: Un ronsel de plasma do Transbordador espacial Atlantis durante a reentrada na Atmosfera terrestre, vista desde a Estación Espacial Internacional.

En física e química, denomínase plasma (do latín plasma e do grego πλάσμα ‘formación’) ao cuarto estado de agregación da materia, un estado fluído similar ao estado gasoso pero no que determinada proporción das súas partículas están eléctricamente cargadas (ionizadas) e non posúen equilibrio electromagnético, por iso son bos condutores eléctricos e as súas partículas responden fortemente ás interaccións electromagnéticas de longo alcance.^[1] En certa forma e de maneira sintética, o plasma pódese caracterizar como un gas ionizado.

O plasma ten características propias que non se dan nos sólidos, líquidos ou gases, polo que é considerado outro estado de agregación da materia. O igual que o gas, o plasma non ten unha forma ou volume definido, a non ser que estea encerrado nun contedor. O plasma baixo a influencia dun campo magnético pode formar estruturas como filamentos, raios e capas dobres.^[2] Os átomos deste estado móvense libremente; canto máis alta é a temperatura máis rápido se móven os átomos no gas, e no momento de chocar a velocidade é tan alta que se produce un desprendemento de electróns.^[3]

Quentar un gas pode ionizar as súas moléculas ou átomos (reducindo ou incrementado o seu número de electróns para formar ións), converténdoo nun plasma.^[4] A ionización tamén pode ser inducida por outros medios, como a aplicación dun forte campo electromagnético mediante un láser ou un xerador de microondas, e é acompañado pola disociación dos enlaces covalentes, se están presentes.^[5]

O plasma é o estado de agregación máis abundante no Universo, e a maior parte da materia visible atópase en estado de plasma, a maioría do cal é o enrarecido plasma intergaláctico (particularmente o centro de intracúmulos) e nas estrelas.^[6][7] O plasma asóciase principalmente coas estrelas.^[8]

O plasma foi identificado por primeira vez no laboratorio por sir William Crookes. Crookes presentou unha conferencia sobre o que denominou "materia radiante" ante a Asociación Británica para o Avance da Ciencia, en Sheffield, o venres 22 de agosto de 1879.^[9] Con todo, os estudos sistemáticos do plasma comezaron coas investigacións de Irving Langmuir e os seus colegas na década de 1920. Langmuir tamén introduciu o termo "plasma" como descrición do gas ionizado en 1928:^[10]

Excepto preto dos eléctrodos, onde hai vainas que conteñen moi poucos electróns, o gas ionizado contén ións e electróns nun número case igual, de modo que a carga espacial resultante é moi pequena. Utilizaremos o nome de plasma para describir esta rexión que contén cargas equilibradas de ións e electróns.

Lewi Tonks e Harold Mott-Smith, que traballaron con Langmuir nos anos 20, lembran que Langmuir utilizou por primeira vez o termo por analoxía co plasma sanguíneo.^[11][12] Mott-Smith lembra, en particular, que o transporte de electróns dos filamentos termoiónicos lembráballe a Langmuir "a forma en que o plasma sanguíneo transporta os glóbulos vermellos e brancos e os xermes".^[13]

O plasma é o cuarto estado da materia despois do sólido, o líquido e o gas.^[14][15][16] É un estado da materia no que unha substancia ionizada vólvese altamente condutora da electricidade ata o punto de que os campos eléctricos e magnéticos de longo alcance dominan o seu comportamento.^[17][18] O plasma é tipicamente un medio eléctricamente cuasineutral de partículas positivas e negativas non ligadas, é dicir, a carga total dun plasma é aproximadamente cero. Aínda que estas partículas non están unidas, non son "libres" no sentido de non experimentar forzas. As partículas cargadas en movemento xeran correntes eléctricas, e calquera movemento dunha partícula de plasma cargada afecta e vese afectada polos campos creados polas outras cargas. Á súa vez, isto goberna o comportamento colectivo con moitos graos de variación.^[5][19]

O plasma distínguese dos demais estados da materia. En particular, describir un plasma de baixa densidade como un mero "gas ionizado" é erróneo e enganoso, a pesar de que é similar á fase gasosa no sentido de que ambos non asumen unha forma ou volume definidos. A seguinte táboa resume algunhas das principais diferenzas:

Tres factores definen un plasma ideal:^[21][22]

• A aproximación do plasma: Aplícase cando o parámetro do plasma Λ,^[23] que representa o número de portadores de carga dentro da esfera de Debye é moito maior que a unidade.^[17][18] Pódese demostrar facilmente que este criterio é equivalente á pequeñez da relación das densidades de enerxía electrostática e térmica do plasma. Tales plasmas denomínanse debilmente axustados.^[24]
• Interaccións a granel: A lonxitude de Debye é moito menor que o tamaño físico do plasma. Este criterio significa que as interaccións no groso do plasma son máis importantes que as dos seus bordos, onde poden ter lugar efectos de fronteira. Cando se cumpre este criterio, o plasma é cuasineutral.^[25]
• Sen colisións: A frecuencia do plasma de electróns (que mide as oscilacións dos electróns no plasma) é moito maior que a frecuencia de colisión electrón-neutral. Cando esta condición é válida, as interaccións electrostáticas dominan sobre os procesos da cinética ordinaria do gas. Tales plasmas denomínanse sen colisións.^[26]

A forza e o alcance da forza eléctrica e a boa condutividade dos plasmas adoitan asegurar que as densidades das cargas positivas e negativas en calquera rexión considerable son iguais ("cuasineutralidade"). Un plasma cun exceso significativo de densidade de carga ou, no caso extremo, composto por unha soa especie, denomínase plasma non neutro. Nun plasma deste tipo, os campos eléctricos desempeñan un papel dominante. Algúns exemplos son os feixes de partículas (en inglés Particle beam) cargadas, unha nube de electróns nunha trampa de Penning e os plasmas de positróns.^[27]

Un plasma poeirento contén diminutas partículas de po cargadas (tipicamente atopadas no espazo). As partículas de po adquiren altas cargas e interactúan entre si. Un plasma que contén partículas máis grandes chámase plasma de gran. En condicións de laboratorio, os plasmas poeirentos tamén se denominan plasmas complexos.^[28]

Algúns exemplos de plasmas son:^[29]

Para que exista plasma é necesaria a ionización. O termo "densidade do plasma" en por si adoita referirse á densidade de electróns ${\displaystyle n_{e}}$, é dicir, o número de electróns que achegan carga por unidade de volume. O grao de ionización ${\displaystyle \alpha }$ defínese como fracción de partículas neutras que están ionizadas:

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

onde ${\displaystyle n_{i}}$> é a densidade iónica e ${\displaystyle n_{n}}$ a densidade neutra (en número de partículas por unidade de volume). No caso de materia totalmente ionizada, ${\displaystyle \alpha =1}$. Debido á cuasineutralidade do plasma, as densidades electrónica e iónica están relacionadas por ${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$, onde ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$ é a carga iónica media (en unidades da carga elemental).

A temperatura do plasma, comunmente medida en kelvin ou electronvoltios, é unha medida da enerxía cinética térmica por partícula. Normalmente necesítanse altas temperaturas para manter a ionización, que é unha característica definitoria dun plasma. O grao de ionización do plasma vén determinado pola temperatura do electrón en relación coa enerxía de ionización (e máis debilmente pola densidade). En equilibrio térmico, a relación vén dada pola ecuación de Saha. A baixas temperaturas, ións e electróns tenden a recombinarse en estados ligados -átomos^[33]— e o plasma acabará converténdose en gas.

Na maioría dos casos, os electróns e as partículas pesadas do plasma (ións e átomos neutros) teñen por separado unha temperatura relativamente ben definida; é dicir, a súa función de distribución enerxética aproxímase a unha distribución maxwelliana mesmo en presenza de fortes campos eléctricos ou magnéticos. Con todo, debido á gran diferenza de masa entre electróns e ións, as súas temperaturas poden ser diferentes, ás veces de forma significativa. Isto é especialmente común en plasmas tecnolóxicos debilmente ionizados, onde os ións adoitan estar preto da temperatura ambiente mentres que os electróns alcanzan miles de kelvin.^[34] O caso oposto é o plasma z-pinch onde a temperatura dos ións pode superar á dos electróns.^[35]

Dado que os plasmas son moi bos condutores eléctricos, os potenciais eléctricos xogan un papel importante.^{[Cómpre clarificar]} O potencial medio no espazo entre partículas cargadas, independentemente de como se poida medir, denomínase "potencial plasmático", ou "potencial espacial". Se se insere un eléctrodo nun plasma, o seu potencial xeralmente estará considerablemente por baixo do potencial do plasma debido ao que se denomina vaina de Debye. A boa condutividade eléctrica dos plasmas fai que os seus campos eléctricos sexan moi pequenos. Isto dá lugar ao importante concepto de "cuasineutralidade", que di que a densidade de cargas negativas é aproximadamente igual á densidade de cargas positivas en grandes volumes do plasma (${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$), pero na escala da lonxitude de Debye, pode haber desequilibrio de cargas. No caso especial de que se forme dobre capa, a separación de cargas pode estenderse unhas decenas de lonxitudes Debye.^[37]

A magnitude dos potenciais e dos campos eléctricos debe determinarse por outros medios que non sexan simplemente achar a densidade de carga neta. Un exemplo común é supor que os electróns satisfán a relación de Boltzmann:

$n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).$

A diferenciación desta relación proporciona un medio para calcular o campo eléctrico a partir da densidade: ${\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.$

É posible producir un plasma que non sexa cuasineutral. Un feixe de electróns, por exemplo, só ten cargas negativas. A densidade dun plasma non neutro debe ser xeralmente moi baixa, ou debe ser moi pequena, pola contra, disiparase pola forza electrostática repulsiva.

O plasma descríbese como un medio eléctricamente neutro de partículas positivas e negativas (é dicir, a carga total dun plasma é aproximadamente cero). É importante ter en conta que, aínda que non teñen límites, estas partículas non son "libres". Cando as cargas se moven, xeran correntes eléctricas con campos magnéticos e, como resultado, cada unha é afectada polos campos das outras. Isto determina un comportamento colectivo con moitos graos de liberdade.^[5][38] Unha definición pode ter tres criterios:^[21][39]

1. A Aproximación do plasma: as partículas cargadas deben estar o suficientemente próximas entre si para que cada unha inflúa en moitas partículas cargadas nas súas proximidades, no canto de interactuar só coa máis próxima (estes efectos colectivos son característicos do plasma). A aproximación do plasma é válida cando o número de portadores de carga dentro da esfera de influencia (chamada esfera de Debye, cuxo raio é a lonxitude de Debye) dunha partícula particular é maior que unha unidade, polo que hai un comportamento colectivo das partículas cargadas. O número médio de partículas na esfera de Debye é representado polo parámetro do plasma "Λ" (a letra grega lambda).
2. interaccións de volume: a lonxitude de Debye (definida anteriormente) é pequena en comparación co tamaño físico do plasma. Este criterio significa que as interaccións dentro do plasma son máis importantes que nos bordos, onde se poden producir efectos límite. Cando se cumpre este criterio, o plasma é practicamente neutro.
3. frecuencia do plasma: a frecuencia dos electróns do plasma (que mide a oscilación da densidade electrónica do plasma) é alta en comparación coa frecuencia das colisións entre electróns e partículas neutras. Cando se dá esta condición, as interaccións electrostáticas predominan sobre os procesos cinéticos normais dos gases.

• É electricamente neutro, neutralidade garantida polo equilibrio das partículas compoñentes do plasma. Resumidamente, o seu número de neutróns, protóns e electróns é igual.
• O plasma é óptimo condutor eléctrico, unha vez que posúe gran cantidade de electróns libres.
• O plasma preséntase como un óptimo condutor de calor.
• O plasma é fonte de ondas electromagnéticas. Estando o plasma suxeito a un campo magnético, este induce un campo eléctrico e viceversa. Nótase que, no caso do Sol, o campo electromagnético é tan intenso que influencia dispositivos sensíbeis a estes campos, como satélites de comunicacións por exemplo e tamén orixina fenómenos interesantes como a aurora boreal.

Posto que existen plasmas en contextos moi diferentes e con características diversas, a primeira tarefa da física do plasma é definir apropiadamente os parámetros que deciden o comportamento dun plasma. Os principais parámetros son os seguintes:

O plasma está formado por igual número de cargas positivas e negativas, o que anula a carga total do sistema. Nese caso fálase dun plasma neutro ou case neutro. Tamén existen plasmas non neutros ou inestables, como o fluxo de electróns dentro dun acelerador de partículas, pero requiren algún tipo de confinamento externo para vencer as forzas de repulsión electrostática.

Os plasmas máis comúns son os formados por electróns e ións. En xeral pode haber varias especies de ións dentro do plasma, como moléculas ionizadas positivas (catións) e outras que capturaron un electrón e achegan unha carga negativa (anións).

A lonxitude de Debye ou de apantallamento electromagnético.^[40] Tamén a lonxitude dunha onda plasmática depende do contido cóncavo do seu recipiente, o cal inflúe porque o seu paralelismo con respecto do eixo x sobre a terra afecta a lonxitude da devandita onda de espectro electromagnético.

Así como a lonxitude de Debye proporciona unha medida das lonxitudes nun plasma, a frecuencia de plasma (${\displaystyle \omega _{p}}$) describe os seus tempos característicos. Se se supón que nun plasma en equilibrio e sen densidades de carga se introduce un pequeno desplazamento de todos os electróns nunha dirección. Estes sentirán a atracción dos ións na dirección oposta, moveranse cara a ela e comezarán a oscilar arredor da súa posición orixinal de equilibrio. A frecuencia desa oscilación denomínase frecuencia de plasma. A frecuencia de plasma dos electróns é:^[41]

${\displaystyle \omega _{pe}=(n_{e}e^{2}/m_{e}\varepsilon _{0})^{1/2}\,}$

onde ${\displaystyle m_{e}}$ é a masa do electrón e ${\displaystyle e}$ a súa carga.

Polo xeral as partículas dunha determinada especie localizadas nun punto dado non teñen a mesma velocidade: presentan polo contrario unha distribución que no equilibrio térmico se describe pola distribución de Maxwell-Boltzmann. A maior temperatura, maior será a dispersión de velocidades (máis larga será a curva que a representa).

Unha medida desa dispersión é a velocidade cuadrática media que, no equilibrio, se denomina tamén velocidade térmica. A temperatura que correspondería a unha velocidade cuadrática media determinada. A velocidade térmica dos electróns é:

${\displaystyle v_{Te}=(kT_{e}/m_{e})^{1/2}\,}$

O parámetro de plasma (${\displaystyle \Gamma }$) expresa o número medio de partículas contidas nunha esfera con raio a lonxitude de Debye (esfera de Debye). A definición de plasma, segundo a que a interacción electromagnética dunha partícula coa multitude de partículas distantes domina sobre a interacción cos poucos veciños próximos, pode escribirse en función do parámetro de plasma como ${\displaystyle \Gamma \gg 1}$.^[42][43] É dicir, hai un gran número de partículas contidas nunha esfera de Debye. É común referirse a esta desigualdade como "condición de plasma".

Algúns autores adoptan unha definición inversa do parámetro de plasma (${\displaystyle g=1/\Gamma }$), co que a condición de plasma resulta ser ${\displaystyle g\ll 1}$.^[44]

O parámetro de plasma dos electróns é:

${\displaystyle \Gamma =(4\pi /3)n_{e}\lambda _{D}^{3}\,}$

Tras coñecer os valores dos parámetros descritos na sección anterior, o estudoso dos plasmas deberá escoller o modelo máis apropiado para o fenómeno que lle ocupe. As diferenzas entre diferentes modelos residen no detalle co que describen un sistema, de modo que se pode establecer así xerarquía na que descricións de nivel superior dedúcense das inferiores tras asumir que algunhas das variables compórtanse de forma prescrita. Estas asuncións ou aproximacións razoables non son estritamente certas pero permiten entender fenómenos que serían difíciles de tratar en modelos máis detallados.

Por suposto, non todas as especies han de ser descritas dunha mesma forma: por exemplo, debido a que os ións son moito máis pesados que os electróns, é frecuente analizar a dinámica dos últimos tomando aos ións como inmóbiles ou estudar os movementos dos ións supoñendo que os electróns reaccionan moito máis rápido e polo tanto están sempre en equilibrio termodinámico.

Posto que as forzas electromagnéticas de longo alcance son dominantes, todo modelo de plasma estará axustado ás ecuacións de Maxwell,^[45] que determinan os campos electromagnéticos a partir das cargas e correntes no sistema.

Os modelos fundamentais máis usados na física do plasma, listaxes en orde decrecente de detalle, é dicir de microscópicos a macroscópicos, son os modelos discretos, os modelos cinéticos continuos e os modelos de fluídos ou hidrodinámicos.

O máximo detalle na modelaxe dun plasma consiste en describir a dinámica de cada unha das súas partículas segundo a segunda lei de Newton. Para facer isto con total exactitude nun sistema de ${\displaystyle N}$ partículas teriase que calcular da orden de ${\displaystyle N^{2}}$ interaccións. Na gran maioría dos casos, isto excede a capacidade de cálculo dos mellores ordenadores actuais.

Con todo, grazas ao carácter colectivo do plasma, reflectido na condición de plasma, é posible unha simplificación que fai moito máis manexable o cálculo. Esta simplificación é a que adoptan os chamados modelos numéricos Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-Cela): o espazo do sistema divídese nun número non moi grande de pequenas celas.^[46][47] En cada instante da evolución cóntase o número de partículas e a velocidade media en cada cela, co que se obteñen densidades de carga e de corrente que, inseridas nas ecuacións de Maxwell permiten calcular os campos electromagnéticos. Tras iso, calcúlase a forza exercida por estes campos sobre cada partícula e actualízase a súa posición, repetindo este proceso tantas veces como sexa oportuno.

Os modelos PIC gozan de gran popularidade no estudo de plasmas a altas temperaturas, nos que a velocidade térmica é comparable ao resto de velocidades características do sistema.

Cando a densidade de partículas do plasma é suficientemente grande é conveniente reducir a distribución das mesmas a unha función de distribución promediada.^[48] Esta representa a densidade de partículas contida nunha rexión infinitesimal do espazo de fases, é dicir o espazo cuxas coordenadas son posicións e cantidades de movemento. A ecuación que goberna a evolución temporal das funcións de distribución é a ecuación de Boltzmann. No caso particular no que as colisións son desprezables a ecuación de Boltzmann redúcese á Ecuación de Vlasov, demostrada por Anatoly Vlasov.^[49]

Os modelos físicos cinéticos adoitan empregarse cando a densidade numérica de partículas é tan grande que unha modelaxe discreta resulta inabordable. Por outra banda, os modelos cinéticos constitúen a base dos estudos analíticos sobre plasmas quentes.

Para plasmas a baixas temperaturas, nos que estudamos procesos cuxas velocidades características son moito maiores que a velocidade térmica do plasma, podemos simplificar o modelo e supoñer que todas as partículas dunha especie nun punto dado teñen igual velocidade ou que están suficientemente preto do equilibrio como para supoñer que as súas velocidades seguen a distribución de Maxwell-Boltzmann cunha velocidade media dependente da posición.^{[Cómpre referencia]} Entón pódense derivar unhas ecuacións de fluídos para cada especie que, na súa forma máis xeral, son chamadas ecuacións de Navier-Stokes. Lamentablemente en moitos casos estas ecuacións son excesivamente complexas e inmanexables; hai que recorrer entón a simplificacións adicionais.

O plasma tamén pode existir en baixas temperaturas, como exemplos podemos citar lámpada fluorescente...

Wikimedia Commons ten máis contidos multimedia na categoría:  Plasma

• Bittencourt, J. A. (2004). Fundamentals of plasma physics (en inglés). Ilustrada (3a ed.). Springer. p. 678. ISBN 9780387209753. Consultado o 7 de outubro de 2022. 
• Chen, Francis F. (1984). Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion: Plasma physics (en inglés) 1. Ilustrada, reimpresa (2a ed.). Springer. p. 421. ISBN 9780306413322. Consultado o 7 de outubro de 2022. 
• Sturrock, P. A. (1994). Plasma physics: an introduction to the theory of astrophysical, geophysical, and laboratory plasmas (en inglés). Ilustrada (3a ed.). Cambridge University Press. p. 335. ISBN 9780521448109. Consultado o 7 de outubro de 2022. 

• Estado de agregación da materia
• Gas
• Institute of Electrical and Electronics Engineers
• Líquido
• Sólido

• Introdución á Física do Plasma: Curso de posgrao impartido por Richard Fitzpatrick|M.I.T. Introdución por I.H.Hutchinson
• Plasma Material Interaction
• How to make a glowing ball of plasma in your microwave with a grape Arquivado 06 de setembro de 2005 en Wayback Machine.|More (Video) Arquivado 03 de maio de 2006 en Wayback Machine.
• OpenPIC3D – 3D Hybrid Particle-In-Cell simulation of plasma dynamics
• Plasma Formulary Interactive