Diferencia entre revisiones de «Plasma (estado de la materia)»
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[[Imagen:Plasma.jpg|thumb|Una lámpara de plasma.]]
[[Imagen:Plasma-lamp 2.jpg|thumb]]
En [[física]] y [[química]], se denomina '''plasma''' a un gas constituido por partículas cargadas ([[ion]]es) libres y cuya [[dinámica]] presenta efectos colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas de largo alcance entre las mismas. Con frecuencia se habla del plasma como un estado de agregación de la materia con características propias, diferenciándolo de este modo del estado gaseoso, en el que no existen efectos colectivos importantes.
== Parámetros de un plasma ==
Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con características muy diversas, la primera tarea de la física del plasma es definir apropiadamente los parámetros que deciden el comportamiento de un plasma. El conocimiento de estos parámetros permite al investigador escoger la descripción más apropiada para su sistema. Los principales parámetros son los siguientes:
=== Neutralidad y especies presentes ===
Generalmente un plasma está formado por igual número de cargas positivas y negativas, lo que anula la carga total del sistema. En tal caso se habla de un plasma neutro o casi-neutro. También existen plasmas no neutros o inestables, como el flujo de electrones dentro de un [[acelerador de partículas]], pero requieren algún tipo de confinamiento externo para vencer las fuerzas de repulsión electrostática.
Los plasmas más comunes son los formados por [[electrón|electrones]] e [[ion]]es. En general puede haber varias especies de iones dentro del plasma, como [[moléculas]] ionizadas positivas ([[catión|cationes]]) y otras que han capturado un electrón y aportan una carga negativa ([[anión|aniones]]).
=== Longitudes ===
La [[longitud de Debye]] o de apantallamiento electromagnético.
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=== La frecuencia de plasma ===
Así como la longitud de Debye proporciona una medida de las longitudes típicas en un plasma, la frecuencia de este, de plasma (<math>\omega_p</math>) describe sus tiempos característicos. Supóngase que en un plasma en equilibrio y sin densidades de carga se introduce un pequeño desplazamiento de todos los electrones en una dirección. Éstos sentirán la atracción de los iones en la dirección opuesta, se moverán hacia ella y comenzarán a oscilar en torno a la posición original de equilibrio. La frecuencia de tal oscilación es lo que se denomina frecuencia de plasma. La frecuencia de plasma de los electrones es:
:<math>\omega_{pe} = (4\pi n_ee^2/m_e)^{1/2} \,</math>
Por lo general las partículas de una determh>g=1/\Gamma</math>), con lo que la condición de plasma resulta ser <math>g \ll 1</math>.▼
donde <math>m_e</math> es la [[Electrón#Propiedades y comportamiento de los electrones|masa del electrón]] y <math>e</math> su [[carga elemental|carga]].
=== Temperatura: velocidad térmica ===
Por lo general las partículas de una determinada especie localizadas en un punto dado no tienen igual velocidad: presentan por el contrario una distribución que en el equilibrio térmico es descrita por la [[estadística de Maxwell-Boltzmann|distribución de Maxwell-Boltzmann]]. A mayor temperatura, mayor será la dispersión de velocidades (más ancha será la curva que la representa).
Una medida de tal dispersión es la velocidad cuadrática media que, en el equilibrio, se denomina también velocidad térmica. Es frecuente, aunque formalmente incorrecto, hablar también de velocidad térmica y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinámico. En tal caso, se menciona la temperatura que correspondería a una velocidad cuadrática media determinada. La velocidad térmica de los electrones es:
:<math>v_{Te} = (kT_e/m_e)^{1/2} \,</math>
=== El parámetro de plasma ===
El parámetro de plasma (<math>\Gamma</math>) indica el número medio de partículas contenidas en una esfera cuyo radio es la longitud de Debye (esfera de Debye). La definición de plasma, según la cual la interacción electromagnética de una partícula con la multitud de partículas distantes domina sobre la interacción con los pocos vecinos próximos, puede escribirse en términos del parámetro de plasma como <math>\Gamma \gg 1</math>. Esto es: hay un gran número de partículas contenidas en una esfera de Debye. Es común referirse a esta desigualdad como "condición de plasma".
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El parámetro de plasma de los electrones es
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Tras conocer los valores de los parámetros descritos en la sección anterior, el estudioso de los plasmas deberá escoger el modelo más apropiado para el fenómeno que le ocupe. Las diferencias entre diferentes modelos residen en el detalle con el que describen un sistema, de modo que se puede establecer así jerarquía en la que descripciones de nivel 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 que serían 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 son mucho más pesados
Puesto que las fuerzas electromagnéticas de largo alcance son dominantes, todo modelo de plasma estará acoplado a las [[ecuaciones de Maxwell]], que determinan los campos electromagnéticos a partir de las cargas y corrientes en el sistema.
Los modelos ''PIC'' gozan de gran popularidad en el estudio de plasmas a altas temperaturas, en los que la velocidad témas calientes.▼
Los modelos fundamentales más usados en la física del plasma, listados en orden decreciente de detalle, es decir de microscópicos a macroscópicos, son los modelos discretos, los modelos cinéticos continuos y los modelos de fluidos o hidrodinámicos.
=== Modelos discretos ===
El máximo detalle en el modelado de un plasma consiste en describir la dinámica de cada una de sus partículas según la [[leyes de Newton|segunda ley]] de [[Isaac Newton|Newton]]. Para hacer esto con total exactitud en un sistema de <math>N</math> partículas habría que calcular del orden de <math>N^2</math> interacciones. En la gran mayoría de los casos, esto excede la capacidad de cálculo de los mejores ordenadores actuales.
Sin embargo, gracias al carácter colectivo de los plasmas, reflejado en la condición de plasma, es posible una simplificación que hace mucho más manejable el cálculo. Esta simplificación es la que adoptan los llamados modelos numéricos ''Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-Celda)'': el espacio del sistema se divide en un número no muy grande de pequeñas celdas. En cada instante de la evolución se cuenta el número de partículas y la velocidad media en cada celda, con lo que se obtienen densidades de carga y de corriente que, insertadas en las [[ecuaciones de Maxwell]] permiten calcular los campos electromagnéticos. Tras ello, se calcula la fuerza ejercida por estos campos sobre 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 velocidad
=== Modelos cinéticos continuos ===
Cuando la densidad de partículas del plasma es suficientemente grande es conveniente reducir la distribución de las mismas a una [[función de distribución]] promediada. Ésta representa la densidad de partículas contenida en una región infinitesimal del [[espacio de fases]], es decir el espacio cuyas coordenadas son posiciones y [[cantidad de movimiento|cantidades de movimiento]]. La ecuación que gobierna la evolución temporal de las funciones de distribución es la [[ecuación de Boltzmann]]. En el caso particular en el que las colisiones son despreciables la ecuación de Boltzmann se reduce a la [[ecuación de Vlasov]].
Los modelos físicos cinéticos suelen emplearse cuando la densidad numérica de partículas es tan grande que un modelado discreto resulta inabordable. Por otra parte, los modelos cinéticos constituyen la base de los estudios analíticos sobre plasmas calientes.
=== Modelos de fluidos o hidrodinámicos ===
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* Producidos artificialmente:
** En el interior de los [[
**En las pantallas planas.
**En Soldaduras de Arco eléctrico bajo protección por Gas (TIG, MIG/MAG, etc..)
** Materia expulsada para la propulsión de [[cohete]]s.
** La región que rodea al [[escudo térmico]] de una [[nave espacial]] durante su entrada en la [[atmósfera terrestre|atmósfera]].
** El interior de los reactores de [[fusión nuclear|fusión]].
** Las [[descarga electrostática|descargas eléctricas]] de uso industrial.
** Las [[bola de plasma|bolas de plasma]].
* Plasmas [[Tierra|terrestres]]:
** Los [[rayo]]s durante una tormenta.
** La [[ionosfera]].
** La [[aurora boreal]].
* Plasmas [[Espacio|espaciales]] y [[astrofísica|astrofísicos]]:
** Las [[estrella]]s (por ejemplo, el [[Sol]]).
** Los [[viento solar|vientos solares]].
** El [[medio interplanetario]] (la materia entre los [[planeta]]s del [[Sistema Solar]]), el [[medio interestelar]] (la materia entre las [[estrella]]s) y el [[medio intergaláctico]] (la materia entre las [[galaxia]]s).
** Los [[disco de acrecimiento|discos de acrecimiento]].
** Las [[nebulosa]]s intergalácticas.
** [[Ambiplasma]]
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