Plasma. Plasma (estado agregado). Plasma creado artificialmente y natural ¿Dónde está el plasma?

Una misma sustancia en la naturaleza tiene la capacidad de variar radicalmente sus propiedades dependiendo de la temperatura y la presión. Un excelente ejemplo de esto es el agua, que existe como hielo sólido, líquido y vapor. Estos son los tres estados de agregación de esta sustancia, que tiene la fórmula química H 2 O. Otras sustancias en condiciones naturales son capaces de cambiar sus características de manera similar. Pero además de los enumerados, en la naturaleza existe otro estado de agregación: el plasma. Es bastante raro en condiciones terrenales, dotado de cualidades especiales.

Estructura molecular

¿De qué dependen los 4 estados de la materia en los que reside la materia? De la interacción de los elementos del átomo y las propias moléculas, dotadas de las propiedades de repulsión y atracción mutua. Estas fuerzas se autocompensan en estado sólido, donde los átomos son geométricamente correctos, formando una red cristalina. Al mismo tiempo, un objeto material puede conservar las dos características cualitativas mencionadas anteriormente: volumen y forma.

Pero en cuanto aumenta la energía cinética de las moléculas, moviéndose caóticamente, destruyen el orden establecido, transformándose en líquidos. Tienen fluidez y se caracterizan por la ausencia de parámetros geométricos. Pero al mismo tiempo, esta sustancia conserva su capacidad de no cambiar el volumen total. En estado gaseoso, la atracción mutua entre las moléculas está completamente ausente, por lo que el gas no tiene forma y tiene la posibilidad de una expansión ilimitada. Pero la concentración de la sustancia al mismo tiempo cae significativamente. Las moléculas en sí mismas no cambian en condiciones normales. Esta es la característica principal de los primeros 3 de los 4 estados de la materia.

Transformación de estado

El proceso de convertir un sólido en otras formas puede llevarse a cabo aumentando gradualmente la temperatura y variando la presión. En este caso, las transiciones ocurrirán abruptamente: la distancia entre las moléculas aumentará notablemente, los enlaces intermoleculares se destruirán con un cambio en la densidad, la entropía y la cantidad de energía libre. También es probable que un cuerpo sólido se transforme inmediatamente en gaseoso, saltándose etapas intermedias. Se llama sublimación. Tal proceso es bastante posible en condiciones terrestres ordinarias.

Pero cuando los indicadores de temperatura y presión alcanzan un nivel crítico, la energía interna de la sustancia se forma tanto que los electrones, moviéndose a una velocidad frenética, abandonan sus órbitas intraatómicas. En este caso, se forman partículas positivas y negativas, pero su densidad en la estructura resultante permanece casi igual. Por lo tanto, surge el plasma: un estado agregado de la materia que, de hecho, es un gas, total o parcialmente ionizado, cuyos elementos están dotados de la capacidad de interactuar entre sí a largas distancias.

Plasma de alta temperatura del espacio

El plasma, por regla general, es una sustancia neutra, aunque consta de partículas cargadas, porque los elementos positivos y negativos que contiene, siendo aproximadamente iguales en número, se compensan entre sí. Este estado de agregación en condiciones terrestres normales es menos común que los otros mencionados anteriormente. Pero a pesar de esto, la mayoría de los cuerpos cósmicos consisten en plasma natural.

Un ejemplo de esto es el Sol y otras numerosas estrellas del Universo. Allí las temperaturas son fantásticamente altas. En efecto, en la superficie de la luminaria principal de nuestro sistema planetario, alcanzan los 5.500 °C. Esto es más de cincuenta veces mayor que los parámetros necesarios para que el agua hierva. En el centro de la bola que escupe fuego, la temperatura es de 15 000 000 °C. No es de extrañar que allí se ionicen gases (principalmente hidrógeno), alcanzando el estado agregado del plasma.

Plasma de baja temperatura en la naturaleza

El medio interestelar que llena el espacio galáctico también consiste en plasma. Pero difiere de su variedad de alta temperatura descrita anteriormente. Tal sustancia consiste en materia ionizada que surge de la radiación emitida por las estrellas. Este es un plasma de baja temperatura. De la misma manera, los rayos del sol, al llegar a los límites de la Tierra, crean la ionosfera y el cinturón de radiación sobre ella, que consiste en plasma. Las diferencias están solo en la composición de la sustancia. Aunque todos los elementos presentados en la tabla periódica pueden estar en un estado similar.

Plasma en el laboratorio y su aplicación.

Según las leyes, se obtiene fácilmente en las condiciones que nos son familiares. Cuando se realizan experimentos de laboratorio, un condensador, un diodo y una resistencia conectados en serie son suficientes. Un circuito similar se conecta a una fuente de corriente durante un segundo. Y si toca los cables con una superficie metálica, sus partículas, así como las moléculas de vapor y aire ubicadas cerca de él, se ionizan y se encuentran en el estado agregado del plasma. Se utilizan propiedades similares de la materia para crear pantallas de xenón y neón y máquinas de soldar.

Plasma y fenómenos naturales

En condiciones naturales, el plasma se puede observar a la luz de la aurora boreal y durante las tormentas eléctricas en forma de relámpagos. La física moderna ha dado ahora una explicación a algunos fenómenos naturales, que antes se atribuían a propiedades místicas. El plasma, formado y resplandeciente en los extremos de objetos altos y afilados (mástiles, torres, árboles enormes) en un estado especial de la atmósfera, hace siglos fue tomado por los marineros como mensajero de buena suerte. Por eso a este fenómeno se le llamó “Fuegos de San Telmo”.

Al ver una descarga de corona en forma de borlas o rayos luminosos durante una tormenta eléctrica en una tormenta, los viajeros lo tomaron como un buen augurio, al darse cuenta de que habían evitado el peligro. No es de extrañar, porque los objetos que se elevan sobre el agua, aptos para los "signos del santo", podrían hablar del acercamiento del barco a la orilla o profetizar un encuentro con otros barcos.

Plasma de no equilibrio

Los ejemplos anteriores indican elocuentemente que no es necesario calentar la sustancia a temperaturas fantásticas para lograr el estado del plasma. Para la ionización, es suficiente usar la fuerza del campo electromagnético. Al mismo tiempo, los elementos constitutivos pesados ​​de la materia (iones) no adquieren una energía significativa, ya que la temperatura durante este proceso no puede superar varias decenas de grados centígrados. En tales condiciones, los electrones ligeros, al separarse del átomo principal, se mueven mucho más rápido que las partículas más inertes.

Tal plasma frío se llama no equilibrio. Además de los televisores de plasma y las lámparas de neón, también se utiliza en la purificación de agua y alimentos, y se utiliza para la desinfección con fines médicos. Además, el plasma frío puede ayudar a acelerar las reacciones químicas.

Principios de uso

Un excelente ejemplo de cómo se utiliza el plasma creado artificialmente en beneficio de la humanidad es la fabricación de monitores de plasma. Las celdas de dicha pantalla están dotadas de la capacidad de emitir luz. El panel es una especie de "sándwich" de láminas de vidrio, muy cerca unas de otras. Entre ellos hay cajas con una mezcla de gases inertes. Pueden ser de neón, xenón, argón. Y se aplican fósforos de color azul, verde y rojo a la superficie interna de las células.

Fuera de las celdas, se conectan electrodos conductores, entre los cuales se crea un voltaje. Como resultado, surge un campo eléctrico y, como resultado, las moléculas de gas se ionizan. El plasma resultante emite rayos ultravioleta, que son absorbidos por los fósforos. En vista de esto, el fenómeno de la fluorescencia se produce por medio de los fotones emitidos en este caso. Debido a la compleja conexión de los rayos en el espacio, surge una imagen brillante de una amplia variedad de tonos.

Horrores de plasma

Esta forma de materia asume una apariencia mortal durante una explosión nuclear. El plasma en grandes volúmenes se forma durante el curso de este proceso incontrolado con la liberación de una gran cantidad de varios tipos de energía. resultante del lanzamiento del detonador, estalla y calienta el aire circundante a temperaturas gigantescas en los primeros segundos. En este punto, aparece una bola de fuego mortal que crece a una velocidad impresionante. El área visible de la esfera brillante se amplía con aire ionizado. Coágulos, garrotes y chorros de plasma de explosión forman una onda de choque.

Al principio, la bola luminosa, al avanzar, absorbe instantáneamente todo lo que encuentra a su paso. No solo los huesos y tejidos humanos se convierten en polvo, sino que también se destruyen rocas sólidas, incluso las estructuras y objetos artificiales más duraderos. Las puertas blindadas a refugios seguros no se salvan, los tanques y otros equipos militares se aplanan.

El plasma en sus propiedades se asemeja a un gas en el sentido de que no tiene ciertas formas y volúmenes, como resultado de lo cual puede expandirse indefinidamente. Por esta razón, muchos físicos opinan que no debe considerarse un estado de agregación separado. Sin embargo, sus diferencias significativas con el gas caliente son obvias. Estos incluyen: la capacidad de conducir corrientes eléctricas y la exposición a campos magnéticos, la inestabilidad y la capacidad de las partículas compuestas para tener diferentes velocidades y temperaturas, mientras interactúan colectivamente entre sí.

Los tiempos en los que asociábamos el plasma con algo irreal, incomprensible, fantástico, quedaron atrás. Hoy en día, este concepto se utiliza activamente. El plasma se utiliza en la industria. Es el más utilizado en la ingeniería de iluminación. Un ejemplo son las lámparas de descarga de gas que iluminan las calles. Pero también está presente en las lámparas fluorescentes. También está en la soldadura eléctrica. Después de todo, el arco de soldadura es un plasma generado por una antorcha de plasma. Podrían citarse muchos otros ejemplos.

La física del plasma es una rama importante de la ciencia. Por lo tanto, vale la pena comprender los conceptos básicos relacionados con él. De esto trata nuestro artículo.

Definición y tipos de plasma

Lo que se da en la física es bastante claro. Un estado de plasma es un estado de la materia cuando este último tiene un número significativo (proporcionado con el número total de partículas) de partículas cargadas (portadores) que pueden moverse más o menos libremente dentro de la sustancia. Se pueden distinguir los siguientes tipos principales de plasma en física. Si los portadores pertenecen a partículas del mismo tipo (y partículas de signo opuesto de carga, neutralizando el sistema, no tienen libertad de movimiento), se llama monocomponente. De lo contrario, es de dos o varios componentes.

Funciones de plasma

Así, hemos caracterizado brevemente el concepto de plasma. La física es una ciencia exacta, por lo que las definiciones son indispensables aquí. Hablemos ahora de las principales características de este estado de la materia.

En física, lo siguiente. En primer lugar, en este estado, bajo la acción de fuerzas electromagnéticas ya pequeñas, surge el movimiento de los portadores, una corriente que fluye de esta manera hasta que estas fuerzas desaparecen debido al apantallamiento de sus fuentes. Por lo tanto, el plasma finalmente pasa a un estado en el que es casi neutral. En otras palabras, sus volúmenes, mayores que algún valor microscópico, tienen carga cero. La segunda característica del plasma está relacionada con la naturaleza de largo alcance de las fuerzas de Coulomb y Ampère. Consiste en el hecho de que los movimientos en este estado, por regla general, tienen un carácter colectivo, involucrando una gran cantidad de partículas cargadas. Estas son las propiedades básicas del plasma en la física. Sería bueno recordarlos.

Ambas características conducen al hecho de que la física del plasma es inusualmente rica y diversa. Su manifestación más llamativa es la facilidad para que se produzcan diversos tipos de inestabilidades. Son un serio obstáculo para la aplicación práctica del plasma. La física es una ciencia en constante evolución. Por lo tanto, se espera que con el tiempo se eliminen estos obstáculos.

Plasma en líquidos

Volviendo a ejemplos específicos de estructuras, comenzamos considerando subsistemas de plasma en materia condensada. Entre los líquidos, primero se debe nombrar, un ejemplo al que corresponde el subsistema de plasma, un plasma de un solo componente de portadores de electrones. Estrictamente hablando, la categoría que nos interesa también debería incluir líquidos electrolíticos en los que hay portadores: iones de ambos signos. Sin embargo, por varias razones, los electrolitos no se incluyen en esta categoría. Uno de ellos es que no hay portadores ligeros móviles, como los electrones, en el electrolito. Por lo tanto, las propiedades del plasma mencionadas anteriormente son mucho menos pronunciadas.

Plasma en cristales

El plasma en cristales tiene un nombre especial: plasma en estado sólido. En los cristales iónicos, aunque hay cargas, están inmóviles. Por lo tanto, no hay plasma. En los metales, son las conductividades las que forman un plasma de un componente. Su carga se compensa con la carga de iones inmóviles (más precisamente, incapaces de moverse largas distancias).

Plasma en semiconductores

Teniendo en cuenta los conceptos básicos de la física del plasma, cabe señalar que la situación en los semiconductores es más diversa. Vamos a caracterizarlo brevemente. Puede surgir un plasma de un componente en estas sustancias si se les introducen las impurezas apropiadas. Si las impurezas donan fácilmente electrones (donantes), aparecen portadores de tipo n: electrones. Si las impurezas, por el contrario, eliminan fácilmente los electrones (aceptores), entonces aparecen portadores de tipo p: agujeros (lugares vacíos en la distribución de electrones), que se comportan como partículas con carga positiva. Un plasma de dos componentes formado por electrones y huecos surge en los semiconductores de una forma aún más sencilla. Por ejemplo, aparece bajo la acción del bombeo de luz, que arroja electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Notamos que, bajo ciertas condiciones, los electrones y los huecos atraídos entre sí pueden formar un estado ligado similar a un átomo de hidrógeno: un excitón, y si el bombeo es intenso y la densidad de los excitones es alta, entonces se fusionan y forman una gota. de líquido de huecos de electrones. A veces, tal estado se considera un nuevo estado de la materia.

ionización de gases

Los ejemplos dados estaban relacionados con casos especiales del estado de plasma, y ​​el plasma en su forma pura se llama Muchos factores pueden conducir a su ionización: campo eléctrico (descarga de gas, tormenta eléctrica), flujo de luz (fotoionización), partículas rápidas (radiación de fuentes, que fueron descubiertas por aumento en el grado de ionización con la altura). Sin embargo, el factor principal es el calentamiento del gas (ionización térmica). En este caso, el desprendimiento del electrón de la última colisión con otra partícula de gas, que tiene suficiente energía cinética debido a la alta temperatura.

Plasma de alta y baja temperatura

La física del plasma de baja temperatura es algo con lo que entramos en contacto casi todos los días. La llama, la materia en una descarga de gas y un rayo, varios tipos de plasma espacial frío (iono y magnetosferas de planetas y estrellas), la sustancia de trabajo en varios dispositivos técnicos (generadores MHD, quemadores, etc.) pueden servir como ejemplos de tal estado. . Ejemplos de plasma de alta temperatura son la materia de las estrellas en todas las etapas de su evolución, excepto en la primera infancia y la vejez, la sustancia de trabajo en las instalaciones para la fusión termonuclear controlada (tokamaks, dispositivos láser, dispositivos de haz, etc.).

Cuarto estado de la materia

Hace un siglo y medio, muchos físicos y químicos creían que la materia se compone únicamente de moléculas y átomos. Se combinan en combinaciones completamente desordenadas o más o menos ordenadas. Se creía que hay tres fases: gaseosa, líquida y sólida. Las sustancias los aceptan bajo la influencia de las condiciones externas.

Sin embargo, en la actualidad podemos decir que existen 4 estados de la materia. Es un plasma que se puede considerar nuevo, el cuarto. Su diferencia con los estados condensados ​​(sólido y líquido) radica en el hecho de que, como un gas, no solo tiene elasticidad de corte, sino también un volumen fijo. Por otro lado, un plasma tiene en común con un estado condensado la presencia de un orden de corto alcance, es decir, la correlación de las posiciones y composición de las partículas adyacentes a una carga de plasma dada. En este caso, tal correlación no se genera por intermolecular, sino por las fuerzas de Coulomb: una carga dada repele las cargas del mismo nombre consigo misma y atrae a las opuestas.

La física del plasma fue brevemente considerada por nosotros. Este tema es bastante voluminoso, por lo que solo podemos decir que hemos revelado sus conceptos básicos. La física del plasma ciertamente merece una mayor consideración.

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Introducción

1.¿Qué es el plasma?

2. Propiedades y parámetros del plasma

2.1 Clasificación

2.2 Temperatura

2.3 Grado de ionización

2.4. Densidad

2.5 Cuasi-neutralidad

3. Descripción matemática

3.1 Modelo fluido (líquido)

3.2 Descripción cinética

3.3 Particle-In-Cell (partícula en una celda)

4. Uso de plasma

Conclusión

Bibliografía

Introducción

El estado de agregación es un estado de la materia caracterizado por ciertas propiedades cualitativas: la capacidad o incapacidad para mantener el volumen y la forma, la presencia o ausencia de orden de largo alcance a corto alcance, y otras. Un cambio en el estado de agregación puede ir acompañado de una liberación similar a un salto de la energía libre de la entropía de densidad y otras propiedades físicas básicas.

Se sabe que cualquier sustancia puede existir solo en uno de tres estados: sólido, líquido o gaseoso, un ejemplo clásico de los cuales es el agua, que puede estar en forma de hielo, líquido y vapor. Sin embargo, son muy pocas las sustancias que existen en estos estados considerados indiscutibles y comunes, si tomamos todo el Universo como un todo. Apenas superan lo que en química se consideran trazas insignificantes. El resto de la materia del Universo se encuentra en el llamado estado de plasma.

1. ¿Qué es el plasma?

La palabra "plasma" (del griego "plasma" - "decorado") a mediados del siglo XIX. comenzaron a llamar a la parte incolora de la sangre (sin cuerpos rojos y blancos) y al líquido que llena las células vivas. En 1929, los físicos estadounidenses Irving Langmuir (1881-1957) y Levi Tonko (1897-1971) llamaron plasma al gas ionizado en un tubo de descarga de gas.

El físico inglés William Crookes (1832-1919), que estudió la descarga eléctrica en tubos con aire enrarecido, escribió: "Los fenómenos en tubos al vacío abren un nuevo mundo para la ciencia física, en el que la materia puede existir en el cuarto estado".

Cualquier sustancia cambia de estado dependiendo de la temperatura. Entonces, el agua a temperaturas negativas (Celsius) se encuentra en estado sólido, en el rango de 0 a 100 "C - en estado líquido, por encima de 100 ° C - en estado gaseoso. Si la temperatura continúa aumentando, los átomos y las moléculas comienzan a perder sus electrones - se ionizan y el gas se convierte en plasma. A temperaturas superiores a 1.000.000 ° C, el plasma está absolutamente ionizado - consiste solo de electrones e iones positivos. El plasma es el estado más común de la materia en la naturaleza, se representa aproximadamente el 99% de la masa del universo. El Sol, la mayoría de las estrellas y las nebulosas son plasma completamente ionizado. La parte exterior de la atmósfera terrestre (ionosfera) también es plasma.

Aún más altos son los cinturones de radiación que contienen plasma.

Las auroras, los relámpagos, incluidas las bolas, son diferentes tipos de plasma que se pueden observar en condiciones naturales en la Tierra. Y solo una parte insignificante del Universo está formada por materia en estado sólido: planetas, asteroides y nebulosas de polvo.

El plasma en física se entiende como un gas formado por partículas neutras y eléctricamente cargadas, en el que la carga eléctrica total es cero, es decir, se cumple la condición de casi neutralidad (por lo tanto, por ejemplo, un haz de electrones que vuelan en el vacío no es un plasma: lleva una carga negativa).

2. Propiedades y parámetros del plasma

El plasma tiene las siguientes propiedades:

las partículas cargadas de densidad deben estar lo suficientemente cerca unas de otras para que cada una de ellas interactúe con un sistema completo de partículas cargadas estrechamente espaciadas. La condición se considera satisfecha si el número de partículas cargadas en la esfera de influencia (una esfera con radio de Debye) es suficiente para que ocurran efectos colectivos (tales manifestaciones son una propiedad típica del plasma). Matemáticamente, esta condición se puede expresar de la siguiente manera:

donde es la concentración de partículas cargadas.

Prioridad de las interacciones internas: el radio de cribado de Debye debe ser pequeño en comparación con el tamaño característico del plasma. Este criterio significa que las interacciones que ocurren dentro del plasma son más significativas que los efectos en su superficie, que pueden despreciarse. Si se cumple esta condición, el plasma puede considerarse casi neutral. Matemáticamente, se ve así:

Frecuencia de plasma: el tiempo promedio entre colisiones de partículas debe ser grande en comparación con el período de oscilaciones de plasma. Estas oscilaciones son causadas por la acción de un campo eléctrico sobre la carga, que surge debido a la violación de la casi neutralidad del plasma. Este campo busca restablecer el equilibrio perturbado. Volviendo a la posición de equilibrio, la carga pasa por inercia por esta posición, lo que nuevamente conduce a la aparición de un fuerte campo de retorno, se producen las típicas oscilaciones mecánicas, cuando se cumple esta condición, las propiedades electrodinámicas del plasma prevalecen sobre las cinéticas moleculares. . En el lenguaje matemático, esta condición tiene la forma:

2.1 Clasificación

El plasma generalmente se divide en ideal y no ideal, baja temperatura y alta temperatura, equilibrio y no equilibrio, mientras que con bastante frecuencia el plasma frío no está en equilibrio y el plasma caliente está en equilibrio.

2.2 Temperatura

Al leer literatura de divulgación científica, el lector a menudo ve temperaturas de plasma del orden de decenas, cientos de miles o incluso millones de °C o K. Para describir el plasma en física, es conveniente medir la temperatura no en °C, sino en en unidades de la energía característica del movimiento de las partículas, por ejemplo, en electronvoltios (eV). Para convertir la temperatura a eV, puedes usar la siguiente relación: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Por lo tanto, queda claro que una temperatura de "decenas de miles de ° C" se puede alcanzar con bastante facilidad.

En un plasma fuera del equilibrio, la temperatura de los electrones excede sustancialmente la temperatura de los iones. Esto se debe a la diferencia en las masas del ion y el electrón, lo que dificulta el proceso de intercambio de energía. Esta situación ocurre en las descargas de gas, cuando los iones tienen una temperatura de unos cientos y los electrones de unas decenas de miles de K.

En un plasma en equilibrio, ambas temperaturas son iguales. Dado que se requieren temperaturas comparables al potencial de ionización para la implementación del proceso de ionización, el plasma de equilibrio suele estar caliente (con una temperatura de más de varios miles de K).

El concepto de plasma de alta temperatura se suele utilizar para el plasma de fusión, que requiere temperaturas de millones de K.

2.3 Grado de ionización

Para que el gas pase al estado de plasma, debe estar ionizado. El grado de ionización es proporcional al número de átomos que donan o absorben electrones, y sobre todo depende de la temperatura. Incluso un gas débilmente ionizado, en el que menos del 1% de las partículas están en estado ionizado, puede presentar algunas de las propiedades típicas de un plasma (interacción con un campo electromagnético externo y alta conductividad eléctrica). El grado de ionización b se define como b = ni/(ni + na), donde ni es la concentración de iones y na es la concentración de átomos neutros. La concentración de electrones libres en un plasma sin carga ne está determinada por la relación obvia: ne= ni, donde es el valor medio de la carga de los iones del plasma.

Un plasma de baja temperatura se caracteriza por un bajo grado de ionización (hasta 1%). Dado que dichos plasmas se utilizan con bastante frecuencia en procesos tecnológicos, a veces se denominan plasmas tecnológicos. La mayoría de las veces, se crean utilizando campos eléctricos que aceleran los electrones, que a su vez ionizan los átomos. Los campos eléctricos se introducen en el gas por acoplamiento inductivo o capacitivo (ver plasma acoplado inductivamente). Las aplicaciones típicas del plasma a baja temperatura incluyen la modificación de la superficie del plasma (películas de diamante, nitruración de metales, modificación de la humectabilidad), grabado de la superficie del plasma (industria de semiconductores), purificación de gases y líquidos (ozonización del agua y combustión de hollín en motores diésel). descripción matemática de la propiedad del plasma

El plasma caliente casi siempre está completamente ionizado (el grado de ionización es ~100%). Por lo general, es ella quien se entiende como el "cuarto estado de agregación de la materia". Un ejemplo es el Sol.

2.4 Densidad

Aparte de la temperatura, que es de fundamental importancia para la existencia misma de un plasma, la segunda propiedad más importante de un plasma es su densidad. La frase densidad de plasma generalmente denota la densidad de electrones, es decir, la cantidad de electrones libres por unidad de volumen (estrictamente hablando, aquí la densidad se refiere a la concentración, no a la masa de una unidad de volumen, sino a la cantidad de partículas por unidad de volumen ). En un plasma cuasi-neutro, la densidad de iones está relacionada con ella por medio del número de carga promedio de iones: . La siguiente cantidad importante es la densidad de los átomos neutros n0. En un plasma caliente, n0 es pequeño, pero sin embargo puede ser importante para la física de procesos en plasma. Cuando se consideran procesos en un plasma denso no ideal, el parámetro de densidad característico es rs, que se define como la relación entre la distancia promedio entre partículas y el radio de Bohr.

2.5 Cuasi-neutralidad

Dado que el plasma es un muy buen conductor, las propiedades eléctricas son importantes. El potencial de plasma o potencial espacial es el valor medio del potencial eléctrico en un punto dado del espacio. Si se introduce un cuerpo en el plasma, su potencial será generalmente menor que el potencial del plasma debido a la aparición de la capa de Debye. Tal potencial se llama potencial flotante. Debido a la buena conductividad eléctrica, el plasma tiende a proteger todos los campos eléctricos. Esto conduce al fenómeno de casi neutralidad: la densidad de cargas negativas con buena precisión es igual a la densidad de cargas positivas (). Debido a la buena conductividad eléctrica del plasma, la separación de cargas positivas y negativas es imposible a distancias mayores que la longitud de Debye y en tiempos mayores que el período de oscilaciones del plasma.

Un ejemplo de plasma no casi neutro es un haz de electrones. Sin embargo, la densidad de los plasmas no neutros debe ser muy baja, de lo contrario decaerán rápidamente debido a la repulsión de Coulomb.

3. Descripción matemática

El plasma se puede describir en varios niveles de detalle. El plasma generalmente se describe por separado de los campos electromagnéticos.

3.1. Modelo fluido (líquido)

En el modelo fluido, los electrones se describen en términos de densidad, temperatura y velocidad promedio. El modelo se basa en: la ecuación de equilibrio para la densidad, la ecuación de conservación del momento, la ecuación de equilibrio de energía de electrones. En el modelo de dos fluidos, los iones se consideran de la misma manera.

3.2 Descripción cinética

A veces, el modelo fluido es insuficiente para describir el plasma. El modelo cinético da una descripción más detallada, en el que el plasma se describe en términos de la función de distribución de electrones en coordenadas y momentos. El modelo se basa en la ecuación de Boltzmann. La ecuación de Boltzmann no es aplicable para describir el plasma de partículas cargadas con interacción de Coulomb debido a la naturaleza de largo alcance de las fuerzas de Coulomb. Por lo tanto, para describir un plasma con interacción de Coulomb, se utiliza la ecuación de Vlasov con un campo electromagnético autoconsistente creado por partículas de plasma cargadas. La descripción cinética debe aplicarse en ausencia de equilibrio termodinámico o en presencia de fuertes faltas de homogeneidad en el plasma.

3.3 Particle-In-Cell (partícula en una celda)

Las partículas en celda son más detalladas que las cinéticas. Incluyen información cinética mediante el seguimiento de las trayectorias de un gran número de partículas individuales. Densidad de correo electrónico la carga y la corriente se determinan sumando las partículas en las celdas, que son pequeñas en comparación con el problema en cuestión, pero que, sin embargo, contienen una gran cantidad de partículas. Correo electrónico y magn. los campos se encuentran a partir de las densidades de carga y corriente en los límites de las celdas.

4. Uso de plasma

El plasma se usa más ampliamente en la ingeniería de iluminación: en lámparas de descarga de gas que iluminan las calles y lámparas fluorescentes que se usan en interiores. Y además, en una variedad de dispositivos de descarga de gases: rectificadores de corriente eléctrica, estabilizadores de voltaje, amplificadores de plasma y generadores de microondas, contadores de partículas cósmicas.

Todos los llamados láseres de gas (helio-neón, criptón, dióxido de carbono, etc.) son en realidad plasma: las mezclas de gases en ellos se ionizan mediante una descarga eléctrica.

Las propiedades características de un plasma las poseen los electrones de conducción en un metal (los iones rígidamente fijados en la red cristalina neutralizan sus cargas), un conjunto de electrones libres y "agujeros" móviles (vacantes) en los semiconductores. Por lo tanto, tales sistemas se denominan plasma de sólidos.

El plasma de gas generalmente se divide en baja temperatura, hasta 100 mil grados y alta temperatura, hasta 100 millones de grados. Hay generadores de plasma de baja temperatura, antorchas de plasma que utilizan un arco eléctrico. Con la ayuda de un plasmatrón, casi cualquier gas se puede calentar hasta 7000-10000 grados en centésimas y milésimas de segundo. Con la creación de la antorcha de plasma, surgió un nuevo campo de la ciencia: la química del plasma: muchas reacciones químicas se aceleran o se desarrollan solo en un chorro de plasma.

Los plasmatrones se utilizan tanto en la industria minera como para el corte de metales.

También se han creado motores de plasma y centrales eléctricas magnetohidrodinámicas. Se están desarrollando varios esquemas de aceleración de plasma de partículas cargadas. La tarea central de la física del plasma es el problema de la fusión termonuclear controlada.

Las reacciones termonucleares son la síntesis de núcleos más pesados ​​a partir de núcleos de elementos ligeros (principalmente isótopos de hidrógeno, deuterio D y tritio T), que se producen a temperaturas muy altas (> 108 K y superiores).

En condiciones naturales, las reacciones termonucleares ocurren en el Sol: los núcleos de hidrógeno se combinan entre sí, formando núcleos de helio y se libera una cantidad significativa de energía. Se llevó a cabo una reacción de fusión artificial en una bomba de hidrógeno.

Conclusión

El plasma sigue siendo un objeto poco estudiado no solo en física, sino también en química (química del plasma), astronomía y muchas otras ciencias. Por lo tanto, las disposiciones técnicas más importantes de la física del plasma aún no han abandonado la etapa de desarrollo de laboratorio. Actualmente, el plasma se está estudiando activamente. es de gran importancia para la ciencia y la tecnología. Este tema también es interesante porque el plasma es el cuarto estado de la materia, cuya existencia no se sospechaba hasta el siglo XX.

Bibliografía

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2. Oraevsky N. V. Plasma en la Tierra y en el espacio, K, Naukova Dumka, 1980.

3. es.wikipedia.org

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La palabra "plasma" tiene muchos significados, incluido un término físico. Entonces, ¿qué es el plasma en física?

El plasma es un gas ionizado que está formado por moléculas neutras y partículas cargadas. Este gas está ionizado: al menos un electrón está separado de la capa de sus átomos. Una característica distintiva de este medio puede llamarse su casi neutralidad. Cuasi-neutralidad significa que entre todas las cargas por unidad de volumen de plasma, el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas.

Sabemos que una sustancia puede ser gaseosa, líquida o sólida, y estos estados, llamados estados agregativos, son capaces de fluir entre sí. Entonces, el plasma se considera el cuarto estado de agregación en el que puede existir la materia.

Entonces, el plasma se distingue por dos propiedades principales: ionización y casi neutralidad. Hablaremos de sus otras características más adelante, pero primero prestaremos atención al origen del término.

Plasma: la historia de la definición

Otto von Guericke comenzó a investigar las descargas en 1972, pero durante los siguientes dos siglos y medio, los científicos no pudieron identificar las propiedades especiales y las características distintivas del gas ionizado.

El autor del término "plasma" como definición física y química es Irving Langmuir. El científico realizó experimentos con plasma parcialmente ionizado. En 1923, él y otro físico estadounidense, Tonks, propusieron el término en sí.

La física del plasma se originó entre 1922-1929.

La palabra "plasma" es de origen griego y significa una figura moldeada de plástico.

Qué es el plasma: propiedades, formas, clasificación.

Si una sustancia se calienta, se volverá gaseosa cuando alcance cierta temperatura. Si continúa calentando, el gas comenzará a descomponerse en sus átomos constituyentes. Luego se convierten en iones: este es el plasma.

Hay diferentes formas de este estado de la materia. El plasma se manifiesta en condiciones terrestres en descargas de rayos. También forma la ionosfera, esta es una capa en la atmósfera superior. La ionosfera aparece bajo la influencia de la radiación ultravioleta y permite transmitir señales de radio a largas distancias.

Hay mucho más plasma en el Universo. La materia bariónica del Universo se encuentra casi por completo en estado de plasma. El plasma forma estrellas, incluido el Sol. Otras formas de plasma que se encuentran en el espacio son las nebulosas interestelares, el viento solar (una corriente de partículas ionizadas provenientes del Sol).

En la naturaleza, además de los rayos y la ionosfera, el plasma existe en forma de fenómenos tan interesantes como los fuegos de San Telmo, las auroras boreales.

Hay plasma artificial, por ejemplo, en lámparas fluorescentes y de plasma, en arcos eléctricos de lámparas de arco, etc.

clasificación de plasma

plasma son:

• ideal, imperfecto;
• alta, baja temperatura;
• desequilibrado y equilibrado.

Plasma y gas: comparación

El plasma y el gas son similares en muchos aspectos, pero existen diferencias significativas en sus propiedades. Por ejemplo, en términos de conductividad eléctrica, el gas y el plasma son diferentes: el gas tiene valores bajos para este parámetro, mientras que el plasma, por el contrario, tiene valores altos. El gas consiste en partículas similares, plasma - de diferentes propiedades - carga, velocidad, etc.

La foto muestra un eclipse solar total observado en Francia en 1999. El halo puntiagudo de luz es plasma de la corona del sol.

La materia existe en cuatro estados posibles: sólido, líquido, gaseoso y en forma de plasma, que es un gas electrificado. Rara vez encontramos plasma natural: se puede ver durante las tormentas eléctricas y la aurora boreal, o cuando miramos al Sol a través de un filtro especial. Sin embargo, el plasma, a pesar de su escasez en nuestra vida diaria, constituye más del 99% de la materia observable en el universo (es decir, si se excluye la materia oscura).

Cómo se forma el plasma

Imagina que calientas un recipiente lleno de hielo y lo ves pasar de sólido a líquido y luego a gas. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas de agua se vuelven más enérgicas y excitables y se mueven cada vez más libremente. Si continúa calentando, entonces a una temperatura de aproximadamente 12 mil grados centígrados, los átomos mismos comenzarán a descomponerse. Los electrones escaparán de los núcleos, dejando atrás partículas cargadas conocidas como iones, que eventualmente terminarán en una sopa de electrones. Este es el estado del plasma.

Plasma en física y en sangre.

La conexión entre la sangre y el plasma "físico" es más que una simple coincidencia. En 1927, el químico estadounidense Irving Langmuir notó que así como el plasma transporta electrones, iones, moléculas y otras impurezas, el plasma sanguíneo también transporta glóbulos rojos y blancos y microbios. Langmuir se convirtió en pionero en el estudio del plasma. Junto a su colega Levi Tonks, también descubrió que el plasma se caracteriza por rápidas oscilaciones de electrones debido al comportamiento colectivo de las partículas.

Otra propiedad interesante del plasma es su capacidad para soportar las llamadas ondas de protuberancia hidromagnéticas, que se mueven a través del plasma a lo largo de las líneas del campo magnético, al igual que las vibraciones se propagan a lo largo de una cuerda de guitarra. Cuando en 1942 el científico sueco Hannes Alfven, quien luego se convirtió en premio Nobel, sugirió por primera vez la existencia de estas ondas, la comunidad de físicos se mostró escéptica. Pero después de que Alfvén diera una conferencia en la Universidad de Chicago, el renombrado físico y profesor Enrico Fermi se acercó a él para discutir la teoría, admitiendo que tales ondas podrían existir.

Fusión termonuclear

Uno de los mayores impulsores de la ciencia moderna del plasma es la perspectiva de la fusión controlada, en la que los átomos se fusionan y liberan ráfagas de energía intensas pero controladas. Esto proporcionaría una fuente casi ilimitada de energía limpia y segura, pero no es una tarea tan fácil. Antes de que ocurra tal fusión en la Tierra, el plasma debe calentarse a más de 100 millones de grados centígrados, unas 10 veces más caliente que el centro del Sol. Pero esto no es lo más difícil, ya que los científicos lograron alcanzar tal temperatura en la década de 1990. Sin embargo, el plasma caliente es muy inestable y, por lo tanto, difícil de almacenar y de controlar.

Los intentos de lograr una fusión termonuclear controlada se remontan a principios de la década de 1950. En ese momento, la investigación fue llevada a cabo en secreto por los Estados Unidos, así como por la Unión Soviética y Gran Bretaña. En los EE. UU., la Universidad de Princeton fue el punto de apoyo de esta investigación. Allí, el físico Lyman Spitzer inició el proyecto Matterhorn, en el que un grupo secreto de científicos intentó lograr una fusión controlada utilizando un dispositivo llamado stellarator. No tenían computadoras y tenían que depender únicamente de sus propios cálculos. Aunque no resolvieron el rompecabezas, finalmente desarrollaron el "principio de energía", que sigue siendo un método poderoso para probar la estabilidad ideal de un plasma en la actualidad.

tokamak

Mientras tanto, los científicos de la Unión Soviética crearon otro dispositivo, el tokamak. Esta máquina, desarrollada por los físicos Andrei Sakharov e Igor Tamm, usó un fuerte campo magnético para forzar plasma caliente en forma de dona. El tokamak era mejor para mantener el plasma caliente y estable y, hasta el día de hoy, la mayoría de los programas de investigación de fusión se basan en el diseño del tokamak. Hoy, China, la Unión Europea, India, Japón, Corea, Rusia y los Estados Unidos se han unido para construir el reactor tokamak más grande del mundo, que se espera que se inaugure en 2025. Sin embargo, también ha habido un resurgimiento del entusiasmo por los stellarators en los últimos años, con la apertura más grande del mundo en Alemania en 2015. Invertir en ambos métodos probablemente nos brinde la mejor oportunidad de tener éxito eventualmente.

Plasma en el espacio cercano a la Tierra

El plasma también está relacionado con la física del espacio alrededor de la Tierra, donde la materia es transportada por los vientos generados en la atmósfera superior del Sol. Tenemos suerte de que el campo magnético de la Tierra nos proteja de las partículas de plasma cargadas y de la radiación destructiva de ese viento solar, pero todos nuestros satélites, naves espaciales y astronautas están expuestos a este efecto. Su capacidad para sobrevivir en este entorno hostil depende de la comprensión y adaptación a los caprichos del plasma.

En un nuevo campo conocido como "clima espacial", la física del plasma desempeña un papel similar al de la dinámica de fluidos en las condiciones atmosféricas terrestres. Existe la reconexión magnética, en la que las líneas del campo magnético en un plasma pueden romperse y reconectarse, lo que resulta en una rápida liberación de energía. Se cree que este proceso alimenta las erupciones solares, aunque sigue siendo difícil lograr una comprensión detallada. Pero en el futuro, podremos predecir las tormentas solares de la misma manera que predecimos el mal tiempo en la Tierra.

Lo que el plasma nos ayuda hoy

Quizás algún día la física del plasma nos dé una idea de cómo se formaron las estrellas, las galaxias y los cúmulos de galaxias. De acuerdo con el modelo cosmológico estándar, el plasma era común en el universo primitivo, luego todo comenzó a enfriarse y los electrones cargados y los protones se unieron para hacer que los átomos de hidrógeno fueran eléctricamente neutros. Este estado continuó hasta que se formaron las primeras estrellas y agujeros negros, que comenzaron a emitir radiación, luego de lo cual el Universo se "reionizó" y volvió al estado de plasma.

Hoy, gracias al plasma, los científicos pueden encontrar agujeros negros. Son tan densos que prácticamente no reflejan la luz, por lo que son prácticamente invisibles a la observación directa. Sin embargo, los agujeros negros suelen estar rodeados por un disco giratorio de materia de plasma que se mueve dentro de la atracción gravitacional del agujero negro y emite fotones de alta energía. Son ellos los que los científicos pueden observar en el espectro de rayos X.

El plasma todavía nos parece un estado de la materia bastante exótico, pero a medida que aprendemos a aprovechar su potencial y ampliar nuestra visión del cosmos, algún día puede volverse tan común para nosotros como el hielo y el agua. Y si alguna vez logramos la fusión nuclear controlada, entonces sin plasma simplemente no podremos vivir más.