TEMAS DE FÍSICA

EL PLASMA , CONTNUACIÓN I

Plasmas en la ciencia espacial y la astronomía.

Más información: plasma astrofísico , medio interestelar y espacio intergaláctico.

Ver también: Magnetohidrodinámica.

Los plasmas son, con mucho, la fase más común de la materia ordinaria en el universo, tanto por masa como por volumen. ^[42]

Sobre la superficie de la Tierra, la ionosfera es un plasma, ^[43] y la magnetosfera contiene plasma. ^[44] Dentro de nuestro Sistema Solar, el espacio interplanetario se llena con el plasma expulsado a través del viento solar , que se extiende desde la superficie del Sol hasta la heliopausa . Además, todas las estrellas distantes , y gran parte del espacio interestelar o espacio intergaláctico también están llenas de plasma, aunque a densidades muy bajas. Los plasmas astrofísicos también se observan en los discos de Acreción alrededor de estrellas u objetos compactos como enanas blancas , estrellas de neutrones., o agujeros negros en sistemas binarios cercanos de estrellas . ^{[45] El} plasma está asociado con la expulsión de material en chorros astrofísicos , que se han observado al acrecentar los agujeros negros ^[46] o en galaxias activas como el chorro de M87 que posiblemente se extienda a 5,000 años luz. ^[47]

Plasmas comunes

Los plasmas pueden aparecer en la naturaleza en varias formas y ubicaciones, que pueden resumirse de manera útil en la siguiente tabla:

Formas comunes de plasma

Producido artificialmente	Plasmas terrestres	Plasmas espaciales y astrofísicos.
Los que se encuentran en pantallas de plasma , incluyendo pantallas de televisión. Lámparas fluorescentes interiores (iluminación de bajo consumo), letreros de neón [48] Escape de cohete y propulsores de iones El área en frente de una nave espacial's escudo térmico durante la reentradaen la atmósfera Dentro de un generador de ozono dedescarga corona. Investigación de la energía de fusión El arco eléctrico en una lámpara de arco , una soldadora de arco o una antorcha de plasma. Bola de plasma (a veces llamada esfera de plasma o globo de plasma ) Arcos producidos por las bobinas de Tesla (transformador de núcleo de aire resonante o bobina disruptiva que produce arcos similares a los rayos, pero con corriente alterna en lugar deelectricidad estática ) Plasmas utilizados en la fabricación de dispositivos semiconductores, incluido el grabado de iones reactivos , la pulverización catódica , la limpieza de superficies y la deposición de vapores químicos por plasma. Láser producidos por (LPP), que se encuentran cuando los láseres de alta potencia interactúan con los materiales. Plasmas acoplados inductivamente(ICP), formados típicamente en gas argón para espectroscopia de emisión óptica o de masas Plasmas inducidos magnéticamente (MIP), producidos típicamente usando microondas como un método de acoplamiento resonante Chispas eléctricas estáticas Plasmas acoplados capacitivamente(PCC) Descargas de la barrera dieléctrica(DBD)	Relámpago La magnetosfera contiene plasma en el entorno espacial circundante de la Tierra. La ionosfera La plasmasfera Las auroras polares El viento polar , una fuente de plasma. Rayo atmosférico superior(por ejemplo, chorros azules, arrancadores azules, chorros gigantescos, ELVES) Sprites Fuego de san elmo Fuego (si está suficientemente caliente) [49]	Estrellas (plasmas calentados por fusión nuclear ) El viento solar El medio interplanetario. (espacio entre planetas) El medio interestelar (espacio entre sistemas estelares) El medio intergaláctico. (espacio entre galaxias) El tubo de flujo Io - Jupiter Discos de acrecion interestelar nebulosas

Fenómenos plasmáticos complejos.

Aunque las ecuaciones subyacentes que gobiernan los plasmas son relativamente simples, el comportamiento del plasma es extraordinariamente variado y sutil: la aparición de un comportamiento inesperado a partir de un modelo simple es una característica típica de una sistema complejo . Dichos sistemas se encuentran en cierto sentido en el límite entre el comportamiento ordenado y desordenado y no pueden describirse típicamente por funciones matemáticas simples y suaves, o por aleatoriedad pura. La formación espontánea de características espaciales interesantes en un amplio rango de escalas de longitud es una manifestación de la complejidad del plasma. Las características son interesantes, por ejemplo, porque son muy definidas, espacialmente intermitentes (la distancia entre las características es mucho mayor que las características mismas) o tienen un fractalformar. Muchas de estas características se estudiaron primero en el laboratorio y luego se reconocieron en todo el universo. Ejemplos de complejidad y estructuras complejas en plasmas incluyen:

Filamentación

Las estrías o estructuras similares a cuerdas, ^[50] también conocidas como corrientes de Birkeland , se ven en muchos plasmas, como la bola de plasma , la aurora , ^[51] rayos , ^[52] arcos eléctricos , erupciones solares , ^[53] y restos de supernova . ^[54] Algunas veces se asocian con densidades de corriente más grandes, y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética . ^[55] La descomposición de microondas de alta potencia a la presión atmosférica también conduce a la formación de estructuras filamentosas. ^[56] (Ver tambiénPizca de plasma )

La filamentación también se refiere al autoenfoque de un pulso láser de alta potencia. En potencias altas, la parte no lineal del índice de refracción se vuelve importante y provoca un índice de refracción más alto en el centro del rayo láser, donde el láser es más brillante que en los bordes, lo que provoca una retroalimentación que enfoca aún más al láser. El láser de mayor concentración tiene un brillo máximo más alto (irradiancia) que forma un plasma. El plasma tiene un índice de refracción inferior a uno y provoca un desenfoque del rayo láser. La interacción entre el índice de enfoque de la refracción y el plasma de desenfoque hace que se forme un filamento largo de plasma que puede ser de micrómetros a kilómetros de longitud. ^[57]Un aspecto interesante del plasma generado por la filamentación es la densidad iónica relativamente baja debido a los efectos de desenfoque de los electrones ionizados. ^[58] (Ver también propagación de filamentos )

Plasma no neutro

La fuerza y ​​el rango de la fuerza eléctrica y la buena conductividad de los plasmas generalmente aseguran que las densidades de cargas positivas y negativas en cualquier región importante sean iguales ("quasineutralidad"). Un plasma con un exceso significativo de densidad de carga o, en el caso extremo, está compuesto de una sola especie, se llama plasma no neutro . En tal plasma, los campos eléctricos juegan un papel dominante. Los ejemplos son haces de partículas cargadas , una nube de electrones en una trampa de Penning y plasmas de positrones. ^[59]

Plasma polvorienta / plasma de grano

Un plasma polvoriento contiene pequeñas partículas de polvo cargadas (que generalmente se encuentran en el espacio). Las partículas de polvo adquieren altas cargas e interactúan entre sí. Un plasma que contiene partículas más grandes se llama plasma de grano. En condiciones de laboratorio, los plasmas polvorientos también se denominan plasmas complejos . ^[60]

Plasma impermeable

El plasma impermeable es un tipo de plasma térmico que actúa como un sólido impermeable con respecto al gas o plasma frío y puede ser empujado físicamente. La interacción de gas frío y plasma térmico fue estudiada brevemente por un grupo liderado por Hannes Alfvén en los años 1960 y 1970 para sus posibles aplicaciones en el aislamiento de plasma de fusión de las paredes del reactor. ^[61] Sin embargo, más tarde, se descubrió que los campos magnéticos externos en esta configuración podrían inducir inestabilidades en el plasma y, posteriormente, conducir a una pérdida de calor inesperadamente alta en las paredes. ^[62] En 2013, un grupo de materiales científicos informó que han generado con éxito plasma impermeable estable sinconfinamiento magnético utilizando solo una manta de gas frío de presión ultraalta. Si bien se afirmó que los datos espectroscópicos sobre las características del plasma eran difíciles de obtener debido a la alta presión, el efecto pasivo del plasma en la síntesis de diferentes nanoestructuras sugería claramente el confinamiento efectivo. También mostraron que al mantener la impermeabilidad durante unas pocas decenas de segundos, la detección de iones en la interfaz plasma-gas podría dar lugar a un fuerte modo de calentamiento secundario (conocido como calentamiento viscoso) que conduce a diferentes cinéticas de reacciones y formación de complejos. nanomateriales . ^[63]

Descripciones matematicas

Las complejas líneas de campo magnético de autoconstricción y las rutas de corriente en una corriente de Birkeland alineada con el campo que puede desarrollarse en un plasma. ^[64]

Artículo principal: modelado por plasma

Para describir completamente el estado de un plasma, todas las ubicaciones de las partículas y las velocidades que describen el campo electromagnético en la región del plasma deberían escribirse. Sin embargo, generalmente no es práctico ni necesario realizar un seguimiento de todas las partículas en un plasma. Por lo tanto, los físicos del plasma comúnmente usan descripciones menos detalladas, de las cuales hay dos tipos principales:

Modelo de fluidos

Los modelos de fluidos describen los plasmas en términos de cantidades suavizadas, como la densidad y la velocidad promedio alrededor de cada posición (consulte los parámetros de Plasma ). Un modelo de fluido simple, la magnetohidrodinámica , trata el plasma como un fluido único gobernado por una combinación de las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de Navier-Stokes . Una descripción más general es la imagen de plasma de dos fluidos , donde los iones y los electrones se describen por separado. Los modelos de fluidos a menudo son precisos cuando la colisionalidad es lo suficientemente alta como para mantener la distribución de la velocidad del plasma cerca de una distribución de Maxwell-Boltzmann. Debido a que los modelos fluidos normalmente describen el plasma en términos de un flujo único a una determinada temperatura en cada ubicación espacial, no pueden capturar estructuras espaciales de velocidad como vigas o capas dobles , ni resolver los efectos de onda-partícula.

Modelo cinetico

Los modelos cinéticos describen la función de distribución de velocidad de partículas en cada punto del plasma y, por lo tanto, no necesitan asumir una distribución de Maxwell-Boltzmann . Una descripción cinética es a menudo necesaria para plasmas sin colisión. Hay dos enfoques comunes para la descripción cinética de un plasma. Uno se basa en representar la función de distribución suavizada en una cuadrícula en velocidad y posición. La otra, conocida como la técnica de partículas en la célula (PIC), incluye información cinética siguiendo las trayectorias de un gran número de partículas individuales. Los modelos cinéticos son generalmente más intensivos en computación que los modelos fluidos. La ecuación de Vlasovse puede usar para describir la dinámica de un sistema de partículas cargadas que interactúan con un campo electromagnético. En los plasmas magnetizados, un enfoque girocinético puede reducir sustancialmente el costo computacional de una simulación completamente cinética.

Plasmas artificiales

La mayoría de los plasmas artificiales se generan mediante la aplicación de campos eléctricos y / o magnéticos a través de un gas. El plasma generado en un entorno de laboratorio y para uso industrial se puede clasificar generalmente por:

• El tipo de fuente de alimentación utilizada para generar el plasma: CC, CA (normalmente con radiofrecuencia( RF )) y microondas
• La presión que operan a: presión de vacío (<10 100="" 1="" atmosf="" font="" kpa="" moderada="" mtorr="" n="" o="" pa="" presi="" rica="" torr="">
• El grado de ionización dentro del plasma: total, parcial o débilmente ionizado
• Las relaciones de temperatura dentro del plasma — plasma térmico ($${\ displaystyle T_ {e} = T_ {i} = T_ {gas}}), plasma no térmico o "frío" ($${\ displaystyle T_ {e} \ gg T_ {i} = T_ {gas}})
• La configuración del electrodo utilizada para generar el plasma.
• La magnetización de las partículas dentro del plasma: magnetizada (tanto los iones como los electrones quedan atrapados en las órbitas de Larmor por el campo magnético), parcialmente magnetizadas (los electrones, pero no los iones, están atrapados por el campo magnético), no magnetizadas (el campo magnético es demasiado débil para atrapar las partículas en órbitas pero puede generar fuerzas de Lorentz ) ^{[ citación necesaria ]}

Generación de plasma artificial.

Plasma artificial producido en el aire por una escalera de Jacob.

Al igual que los muchos usos del plasma, hay varios medios para su generación, sin embargo, un principio es común a todos: debe haber energía de entrada para producirla y sostenerla. ^[65] Para este caso, se genera plasma cuando se aplica una corriente eléctrica a través de un gas o fluido dieléctrico (un material eléctricamente no conductor ) como se puede ver en la imagen adyacente, que muestra un tubo de descargacomo un ejemplo simple ( DC utilizado por simplicidad).

La diferencia de potencial y el campo eléctrico posterior tiran de los electrones unidos (negativo) hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que el cátodo (electrodo negativo) tira del núcleo. ^[66] A medida que aumenta la tensión , la corriente somete al material (por polarización eléctrica ) más allá de su límite dieléctrico (denominado fuerza) a una etapa de ruptura eléctrica , marcada por una chispa eléctrica , donde el material se transforma de un aislante en un conductor. (a medida que se va ionizando cada vez más). El proceso subyacente es la avalancha de Townsend , donde las colisiones entre los electrones y los átomos de gas neutro crean más iones y electrones (como se puede ver en la figura de la derecha). El primer impacto de un electrón en un átomo da como resultado un ion y dos electrones. Por lo tanto, el número de partículas cargadas aumenta rápidamente (en millones) solo "después de unos 20 conjuntos sucesivos de colisiones", ^[67] principalmente debido a una pequeña trayectoria libre media (distancia promedio recorrida entre colisiones).

Arco eléctrico

Proceso en cascada de la ionización. Los electrones son "e-", átomos neutros "o" y cationes "+".

Efecto de avalancha entre dos electrodos. El evento de ionización original libera un electrón, y cada colisión subsiguiente libera un electrón adicional, por lo que emergen dos electrones de cada colisión: el electrón ionizante y el electrón liberado.

Con una amplia densidad de corriente e ionización, esto forma un arco eléctrico luminoso (una descarga eléctrica continua similar a un rayo ) entre los electrodos. ^{[Nota 1]} La resistencia eléctrica a lo largo del arco eléctrico continuo crea calor , que disocia más moléculas de gas e ioniza los átomos resultantes (donde el grado de ionización se determina por la temperatura), y según la secuencia: sólido - líquido - gas - plasma, el El gas se convierte gradualmente en un plasma térmico. ^{[Nota 2]} Un plasma térmico está en equilibrio térmico, lo que quiere decir que la temperatura es relativamente homogénea en todas las partículas pesadas (es decir, átomos, moléculas e iones) y electrones. Esto es así porque cuando se generan los plasmas térmicos, se les da energía eléctrica a los electrones, los cuales, debido a su gran movilidad y gran número, pueden dispersarla rápidamente y por colisión elástica (sin pérdida de energía) a las partículas pesadas. ^{[68] [Nota 3]}

Ejemplos de plasma industrial / comercial.

Debido a su considerable rango de temperatura y densidad, los plasmas encuentran aplicaciones en muchos campos de investigación, tecnología e industria. Por ejemplo, en: metalurgia industrial y extractiva , ^[68] [69]tratamientos de superficie tales como pulverización por plasma (recubrimiento), grabado en microelectrónica, ^[70]corte de metal ^[71] y soldadura ; así como en la limpieza diaria de los escapes de los vehículos y las lámparas fluorescentes / luminiscentes , ^[65] ignición del combustible, e incluso desempeñando un papel en los motores de combustión supersónicos para la ingeniería aeroespacial. ^[72]

Descargas de baja presión.

• Plasmas de descarga luminiscente : plasmas no térmicos generados por la aplicación de campo eléctrico de CC o RF de baja frecuencia (<100 a="" brecha="" dos="" electrodos="" entre="" font="" khz="" la="" licos.="" met="" nbsp="">Probablemente el plasma más común; Este es el tipo de plasma generado dentro de los tubos de luz fluorescente . ^[73]
• Plasma acoplado capacitivamente (PCC) : similar a los plasmas de descarga luminiscente, pero generados con campos eléctricos de RF de alta frecuencia, típicamente 13.56 MHz . Estos difieren de las descargas de brillo en que las vainas son mucho menos intensas. Estos son ampliamente utilizados en las industrias de microfabricación y fabricación de circuitos integrados para el grabado con plasma y la deposición de vapores químicos mejorados con plasma. ^[74]
• Fuente de plasma de arco en cascada : un dispositivo para producir plasmas de alta densidad (HDP) de baja temperatura (1eV).
• Plasma acoplado inductivamente (ICP) : similar a un PCC y con aplicaciones similares, pero el electrodo consiste en una bobina envuelta alrededor de la cámara donde se forma el plasma. ^[75]
• Plasma de onda calentada : similar a CCP e ICP en que típicamente es RF (o microondas). Los ejemplos incluyen la descarga de helicon y la resonancia ciclotrónica (ECR). ^[76]

Presión atmosférica

• Descarga de arco : se trata de una descarga térmica de alta potencia de muy alta temperatura (≈10,000 K). Se puede generar utilizando varias fuentes de alimentación. Es comúnmente usado enprocesos metalúrgicos. Por ejemplo, se utiliza para fundir minerales que contienen Al ₂ O ₃ para producir aluminio .
• Descarga de corona : esta es una descarga no térmica generada por la aplicación de alta tensión a puntas de electrodo afiladas. Se usa comúnmente engeneradores de ozono y precipitadores de partículas.
• Descarga de barrera dieléctrica (DBD): esta es una descarga no térmica generada por la aplicación de altos voltajes a través de pequeños huecos en los que un recubrimiento no conductor evita la transición de la descarga de plasma a un arco. A menudo se denomina descarga de 'Corona' mal etiquetada en la industria y tiene una aplicación similar a las descargas de corona. También es ampliamente utilizado en el tratamiento web de tejidos. ^[77] La aplicación de la descarga a tejidos sintéticos y plásticos funcionaliza la superficie y permite que se adhieran pinturas, pegamentos y materiales similares. ^[78] La descarga de la barrera dieléctrica se utilizó a mediados de la década de 1990 para mostrar que el plasma a presión atmosférica a baja temperatura es eficaz para inactivar las células bacterianas. ^[79]Este trabajo y experimentos posteriores con células de mamíferos llevaron al establecimiento de un nuevo campo de investigación conocido como medicina de plasma . La configuración de descarga de la barrera dieléctrica también se usó en el diseño de chorros de plasma de baja temperatura. Estos chorros de plasma son producidos por ondas de ionización guiadas de rápida propagación conocidas como balas de plasma. ^[80]
• Descarga capacitiva : es un plasma no térmico generado por la aplicación de potencia de RF (por ejemplo,13.56 MHz ) a un electrodo alimentado, con un electrodo conectado a tierra a una pequeña distancia de separación del orden de 1 cm. Dichas descargas se suelen estabilizar utilizando un gas noble como el helio o el argón. ^[81]
• El " plasma de descarga directa piezoeléctrica :" es un plasma no térmico generado en el lado superior de un transformador piezoeléctrico (PT). Esta variante de generación es particularmente adecuada para dispositivos de alta eficiencia y compactos donde no se desea una fuente de alimentación de alto voltaje separada.