¿Qué es el plasma - un gas inusual?
Desde la infancia, hemos conocido varios estados de agregación de sustancias. Tomemos el agua, por ejemplo. Su estado habitual es conocido por todos: líquido, está muy extendido en todas partes: ríos, lagos, mares, océanos. El segundo estado de agregación es el gas. No lo vemos a menudo. La forma más fácil de volverse gaseoso cerca del agua es hervirla. El vapor no es más que el estado gaseoso del agua. El tercer estado de agregación es sólido. Podemos observar un caso similar, por ejemplo, en los meses de invierno. El hielo es agua congelada y hay un tercer estado agregado.
Este ejemplo muestra claramente que casi cualquier sustancia tiene tres estados de agregación. Para algunos es fácil de lograr, para otros es más difícil (se requieren condiciones especiales).
Pero la física moderna distingue otro estado independiente de la materia: el plasma.
El plasma es un gas ionizado con la misma densidad de cargas positivas y negativas. Como sabe, con un fuerte calentamiento, cualquier sustancia pasa al tercer estado de agregación: gas. Si continúa calentando la sustancia gaseosa resultante, en la salida obtendremos una sustancia con un proceso de ionización térmica considerablemente mayor, los átomos que constituyen el gas se desintegran para formar iones. Esta condición se puede observar a simple vista. Nuestro Sol es una estrella, como millones de otras estrellas y galaxias del universo, no hay nada más que un plasma de alta temperatura. Desafortunadamente, en la Tierra, el plasma no existe en condiciones naturales. Pero aún podemos observarlo, por ejemplo, un relámpago. Por primera vez, fue posible obtener un plasma en condiciones de laboratorio pasando un alto voltaje a través de un gas. Hoy en día, muchos de nosotros usamos plasma en casa; se trata de lámparas fluorescentes de descarga de gas ordinarias. En las calles, a menudo se observan letreros de neón, que no son más que plasma a baja temperatura en tubos de vidrio.
Para pasar de un estado gaseoso a un plasma, el gas debe estar ionizado. El grado de ionización depende directamente del número de átomos. Otra condición es la temperatura.
Hasta 1879, la física describía y se guiaba por solo tres estados de agregación de sustancias. Hasta que el científico, químico y físico inglés William Crookes comenzó a realizar experimentos para estudiar la conductividad de la electricidad en los gases. Entre sus descubrimientos se encuentran el descubrimiento del elemento Thalía, la producción de helio en condiciones de laboratorio y, por supuesto, los primeros experimentos con la producción de plasma frío en tubos de descarga de gas. El término "plasma" que nos es familiar fue utilizado por primera vez en 1923 por el científico estadounidense Langmuir, y más tarde por Tonkson. Hasta ese momento, "plasma" se usaba para denotar solo el componente incoloro de la sangre o la leche.
La investigación de hoy muestra, contrariamente a la creencia popular, aproximadamente el 99% de toda la materia en el universo está en estado de plasma. Todas las estrellas, todo el espacio interestelar, galaxias, nebulosas, el ventilador solar son representantes típicos del plasma.
En la tierra podemos observar fenómenos naturales como los relámpagos, la aurora boreal, los “fuegos de San Telmo”, la ionosfera terrestre y, por supuesto, el fuego.
El hombre también aprendió a usar el plasma para su propio bien. Gracias al cuarto estado agregado de la materia, podemos utilizar lámparas de descarga de gas, televisores de plasma, soldadura por arco eléctrico y láseres. Además, podemos observar los fenómenos del plasma durante una explosión nuclear o el lanzamiento de cohetes espaciales.
Uno de los estudios prioritarios en la dirección del plasma puede considerarse la reacción de fusión termonuclear, que debería convertirse en un sustituto seguro de la energía nuclear.
Según la clasificación, el plasma se divide en baja temperatura y alta temperatura, equilibrio y no equilibrio, ideal e imperfecto.
El plasma de baja temperatura se caracteriza por un bajo grado de ionización (alrededor del 1%) y temperaturas de hasta 100 mil grados. Es por ello que este tipo de plasma se suele utilizar en diversos procesos tecnológicos (aplicar una película de diamante a una superficie, cambiar la mojabilidad de una sustancia, ozonizar el agua, etc.).
El plasma de alta temperatura o "caliente" tiene casi un 100% de ionización (este es el estado al que se refiere el cuarto estado de agregación) y temperaturas de hasta 100 millones de grados. En la naturaleza, estas son estrellas. En condiciones terrestres, es plasma de alta temperatura el que se utiliza para experimentos de fusión termonuclear. Una reacción controlada es bastante compleja y consume mucha energía, pero una incontrolada ha demostrado ser un arma de un poder colosal: una bomba termonuclear probada por la URSS el 12 de agosto de 1953.
Pero estos son extremos. El plasma frío ha tomado firmemente su lugar en la vida humana, queda soñar con una fusión termonuclear controlada útil, las armas no son realmente aplicables.
Pero en la vida cotidiana, el plasma no siempre es igualmente útil. A veces hay situaciones en las que se deben evitar las descargas de plasma. Por ejemplo, en cualquier proceso de conmutación, observamos un arco de plasma entre los contactos, que debe extinguirse con urgencia.
El regreso del hechicero Keler Vladimir Romanovich
Plasma: el cuarto estado de la materia
Tome un cuerpo de metal, digamos una bala, y, colocándolo en un crisol resistente al calor, coloque el crisol en un horno eléctrico. Pasará un poco de tiempo y la bala se derretirá, se convertirá en un líquido, la sustancia pasará al segundo estado.
Pero aumentaremos la calefacción. Si las capacidades del horno lo permiten, el metal eventualmente hervirá y se evaporará. La sustancia entrará en su tercer estado.
No hace mucho tiempo, incluso los físicos más expertos respondieron a esta pregunta de que no pasaría nada especial. El gas se calienta, eso es todo. Sus moléculas adquirirán una alta energía cinética y se precipitarán aún más rápido entre las paredes del recipiente.
No hubo nada sorprendente en esta respuesta. La gente no sabía cómo conseguir temperaturas especialmente altas en ese entonces y no podía saber qué pasaría con la sustancia, por ejemplo, a 6000 grados. En las estufas de combustible convencionales, la temperatura máxima alcanza solo 2000, y en las eléctricas, 3000 grados.
Ahora la situación ha cambiado. Incluso en condiciones industriales, a veces se alcanzan temperaturas del orden de 12.000 grados. Y los físicos han sobrepasado los límites de las fantasías más increíbles al "obtener" altas temperaturas.
En el Instituto de Energía Atómica, un investigador MSIoffe llevó a cabo experimentos en los que fue posible obtener una temperatura para el deuterio de 60 millones de grados, tres veces más alta que en el centro del Sol (según los conceptos modernos, la temperatura en el centro del Sol es algo menos de 20 millones de grados). El académico Evgeny Konstantinovich Zavoisky logró resultados aún más espectaculares: en sus experimentos, junto con sus compañeros de trabajo, logró calentar los haces de electrones a una temperatura de más de 100 millones de grados.
Ahora ya se sabe con certeza: por encima de los 6000 grados, los gases, incluso los que son estables, parecen evaporarse.
¿Qué pasa con ellos?
Cuando a velocidades vertiginosas causadas por un fuerte calentamiento, los átomos de una sustancia chocan entre sí, los electrones son eliminados. Al perder algunos de los electrones, los átomos se convierten en iones positivos, es decir, en "fragmentos" cargados con electricidad positiva. Se sabe que los electrones tienen carga negativa. El resultado es una mezcla de electrones negativos, iones positivos y átomos neutros que no han tenido tiempo de "evaporarse". Dado que la electricidad positiva en una mezcla de este tipo es igual a la electricidad negativa, la mezcla en su conjunto permanece neutra. Pero los electrones chocan entre sí y con los iones y hacen brillar el "gas vaporizado" (lo que ocurre, sin embargo, no siempre, sino sólo con un número suficiente de partículas; si la rarefacción es alta, la sustancia puede volverse completamente invisible).
Una nube de materia en un estado particularmente excitado se llama plasma. Fue descubierto en 1920 por la destacada astrofísica india Meg Nad Saga.
Los científicos se convencieron rápidamente de que el plasma ya no es un gas, sino un nuevo estado de la materia cualitativamente completamente diferente.
Cada estado de la materia tiene sus propias propiedades especiales, que no son similares a las propiedades de otros estados. Plasma también los tiene.
Las propiedades de un plasma difieren marcadamente de las de un gas. El gas, por ejemplo, es un aislante eléctrico. El plasma, aunque generalmente es neutro, como un gas, por el contrario, conduce perfectamente una corriente eléctrica. A diferencia de los metales, que conducen la corriente, cuanto peor son, más se calientan, la conductividad eléctrica del plasma aumenta al aumentar la temperatura.
La teoría dice que a temperaturas muy altas, el plasma debería tener prácticamente la propiedad de superconductividad, es decir, su resistencia eléctrica debería ser cercana a cero. Además, el plasma es un conductor ideal de calor; es un material superconductor de calor.
Hay mucho calor en el plasma, pero también hay algo que no está en ningún refrigerante: pedido... El fuerte campo magnético, en el que se produce el plasma, introduce en su movimiento un orden, y uno extraordinario: helicoidal o de otro modo, girotrópico.
Hay muchas razones para el gran interés en el plasma en estos días. El primero, por supuesto, es que, como resultó, el plasma es mucho más común en la naturaleza de lo que cabría esperar. Casi todo el universo está formado por plasma. El plasma está formado por el Sol, estrellas calientes, nebulosas y gas interestelar.
Resultó que la gente se ocupaba del plasma mucho antes de su descubrimiento.
El agua comienza a evaporarse incluso antes de que alcance su punto de ebullición. Y el plasma no se forma necesariamente a temperaturas de 6 mil grados o más. Ocurre, por ejemplo, cuando el gas está fuertemente expuesto a rayos X o rayos ultravioleta. Al colocar un gas en un campo eléctrico potente, también se puede llevar a un estado de ionización, convertido parcialmente en plasma.
La vela arde débilmente. Y, sin embargo, su llama está, al menos en pequeña medida, ionizada. Esto aún no es plasma real, pero ya es un indicio de él. Pero la luz cegadora de un arco eléctrico y el suave resplandor de un tubo de neón emanan directamente del plasma. Cerca del plasma real está la llama del soplete de soldadura y la boquilla diesel, la llama en el cilindro de un motor de combustión interna.
Se produce un estado de plasma a corto plazo en el cañón de la pistola cuando se dispara. En general, con cualquier explosión de una gran masa de explosivo, se forma un plasma.
El plasma forma un canal de chispas y relámpagos eléctricos. Las capas ionizadas de la atmósfera terrestre están compuestas de plasma. La aurora no es más que el resplandor de un gas ionizado, es decir, también un plasma.
Yuri Gagarin logró su hazaña literalmente en los brazos del plasma. Cuando la nave espacial Vostok, despegando del sitio de lanzamiento, atravesó las densas capas de la atmósfera con un choque, las boquillas del motor del cohete arrojaron plasma.
El plasma está muy extendido en todas partes, pero, quizás, atrae aún más la atención de los científicos con su potencial para la tecnología futura.
El plasma es el estado de la materia más prometedor para convertir el calor directamente en electricidad. Aparentemente, solo el plasma estará en movimiento en las plantas de energía sin máquinas del futuro. Al pasar entre los polos de imanes superpoderosos, las corrientes de plasma convertirán la energía de su movimiento en la energía de una corriente eléctrica.
La creación de naves espaciales con motores de plasma no está lejos. Con tales motores, lanzando un chorro de plasma a velocidades de decenas o incluso cientos de miles de kilómetros por segundo, puede ir a explorar los planetas más distantes del sistema solar.
En la primavera de 1965, los científicos soviéticos llevaron a cabo las primeras pruebas exitosas de motores de plasma en condiciones espaciales, a bordo de la nave espacial Zond-2.
Las perspectivas del plasma también son excelentes en el campo de las reacciones termonucleares controladas. El académico L. N. Artsimovich incluso cree que este es el problema más importante del plasma. El escribio:
“La física del plasma no pertenece a las principales direcciones de la ciencia, pero sin embargo, durante la última década se ha desarrollado de manera muy intensa, ya que se asocian con ella esperanzas de resolver problemas de excepcional importancia prometedora. El primer lugar entre ellos lo ocupa el conocido problema de la fusión termonuclear controlada, cuya solución debería eliminar por completo la amenaza del hambre de energía en nuestro planeta ".
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En los tres primeros estados, sólido, líquido y gaseoso, las fuerzas eléctricas y magnéticas están profundamente enterradas en las profundidades de la materia. Van por completo para unir núcleos y electrones en, átomos en y en cristales. La sustancia en estos estados es generalmente eléctricamente neutra. El plasma es otro asunto. Las fuerzas eléctricas y magnéticas pasan a primer plano aquí y determinan todas sus propiedades básicas. El plasma combina las propiedades de tres estados: sólido (), líquido (electrolito) y gaseoso. Toma alta conductividad eléctrica del metal, conductividad iónica del electrolito y alta movilidad de las partículas del gas. Y todas estas propiedades están tan intrincadamente entrelazadas que el plasma es muy difícil de estudiar.
Y, sin embargo, los científicos logran observar una nube de gas deslumbrantemente luminosa con la ayuda de dispositivos físicos delgados. Están interesados en la composición cuantitativa y cualitativa del plasma, la interacción de sus partes entre sí.
No se puede tocar el plasma al rojo vivo con las manos. Se siente con la ayuda de "dedos" muy sensibles: electrodos insertados en el plasma. Estos electrodos se denominan sondas. Al medir la corriente que va a la sonda a diferentes voltajes, puede averiguar el grado de concentración de electrones e iones, su temperatura y una serie de otras características del plasma (por cierto, es interesante que incluso el papel A4, con ciertas manipulaciones con él, también puede entrar en plasma)
La composición del plasma se determina tomando muestras de la sustancia plasmática. Se extraen pequeñas porciones de iones con electrodos especiales, que luego se clasifican por masa utilizando un ingenioso dispositivo físico: un espectrómetro de masas. Este análisis también permite conocer el signo y el grado de ionización, es decir, de forma negativa o positiva, átomos ionizados simple o repetidamente.
El plasma también se prueba con ondas de radio. A diferencia del gas ordinario, el plasma los refleja con fuerza, a veces con más fuerza que los metales. Esto se debe a la presencia de cargas eléctricas libres en el plasma. Hasta hace poco, esa radiodetección era la única fuente de información sobre la ionosfera, un maravilloso "espejo" de plasma que la naturaleza colocaba muy por encima de la Tierra. En la actualidad, la ionosfera también se está investigando con la ayuda de satélites artificiales y cohetes a gran altitud, que toman muestras de la materia ionosférica y la analizan "en el lugar".
El plasma es un estado de la materia muy inestable. Asegurar el movimiento coordinado de todas sus partes constituyentes es una tarea muy difícil. A menudo parece que esto se ha logrado, el plasma se pacifica, pero de repente, por algunas razones no siempre conocidas, se forma en él un engrosamiento y rarefacción, surgen fuertes oscilaciones y su comportamiento tranquilo se altera bruscamente.
A veces, sin embargo, el "juego" de fuerzas eléctricas y magnéticas en el plasma mismo viene en ayuda de los científicos. Estas fuerzas pueden formarse a partir de cuerpos plasmáticos de forma compacta y regular, denominados plasmoides. La forma de los plasmoides puede ser muy diversa. Hay anillos, tubos, anillos dobles y cordones retorcidos. Los plasmoides son bastante estables. Por ejemplo, si "disparan" uno hacia el otro con dos plasmoides, se desprenderán cuando chocan, como bolas de billar.
El estudio de los plasmoides permite comprender mejor los procesos que ocurren con el plasma a una escala gigantesca del universo. Un tipo de plasmoide, el cordón, juega un papel muy importante en los intentos de los científicos de crear uno controlado. Los plasmoeones, aparentemente, también se utilizarán en química y metalurgia del plasma.
EN LA TIERRA Y EN EL ESPACIO
En la Tierra, el plasma es un estado de materia bastante raro. Pero ya a bajas altitudes, el estado de plasma comienza a prevalecer. La potente radiación ultravioleta, corpuscular y de rayos X ioniza el aire en la atmósfera superior y provoca la formación de "nubes" de plasma en la ionosfera. Las capas superiores de la atmósfera son la armadura protectora de la Tierra, que protege a todos los seres vivos de los efectos destructivos de la radiación solar. La ionosfera es un espejo excelente para las ondas de radio (a excepción de las ondas ultracortas), lo que permite las comunicaciones de radio terrestres a largas distancias.
Las capas superiores de la ionosfera no desaparecen ni siquiera por la noche: el plasma está demasiado enrarecido en ellas para que los iones y electrones que han surgido durante el día se reúnan. Cuanto más lejos de la Tierra, los átomos menos neutros están en la atmósfera, ya una distancia de cien millones y medio de kilómetros hay un coágulo de plasma colosal más cercano a nosotros -.
Las fuentes de plasma salen disparadas constantemente de él, a veces hasta una altura de millones de kilómetros, las llamadas prominencias. Vórtices de plasma algo menos caliente (manchas solares) se mueven a lo largo de la superficie. La temperatura en la superficie del Sol es de aproximadamente 5.500 °, las manchas solares son 1.000 ° más bajas. A una profundidad de 70 mil kilómetros, ya 400,000 °, e incluso más, la temperatura del plasma alcanza más de 10 millones de grados.
En estas condiciones, los núcleos de los átomos de la materia solar están completamente desnudos. Aquí, a presiones gigantescas, ocurren constantemente reacciones termonucleares de fusión de núcleos y su transformación en núcleos. La energía liberada en este caso repone la energía que el Sol irradia tan generosamente al espacio mundial, "calentando" e iluminando todo su sistema de planetas.
Las estrellas del universo se encuentran en diferentes etapas de desarrollo. Algunos mueren convirtiéndose lentamente en gas frío no luminoso, otros explotan arrojando enormes nubes de plasma al espacio, que después de millones y miles de millones de años alcanzan otros mundos estelares en forma de rayos cósmicos. Hay áreas donde las fuerzas gravitacionales espesan las nubes de gas, la presión y la temperatura aumentan en ellas, hasta que se crean las condiciones favorables para la aparición del plasma y la excitación de las reacciones termonucleares, y luego brotan nuevas estrellas. El plasma en la naturaleza está en un ciclo continuo.
PRESENTE Y FUTURO DEL PLASMA
Los científicos están a punto de dominar el plasma. En los albores de la humanidad, el mayor logro fue la capacidad de recibir y mantener el fuego. Y hoy era necesario crear y conservar durante mucho tiempo otro plasma mucho más "altamente organizado".
Ya hemos hablado del uso del plasma en la economía: arco voltaico, lámparas fluorescentes, gasotrones y tiratrones. Pero un plasma comparativamente no caliente "funciona" aquí. En un arco voltaico, por ejemplo, la temperatura de los iones es de unos cuatro mil grados. Sin embargo, ahora hay aleaciones resistentes al sobrecalentamiento que pueden soportar temperaturas de hasta 10-15 mil grados. Se necesita plasma con una temperatura iónica más alta para procesarlos. Su aplicación también es muy prometedora para la industria química, ya que muchas reacciones avanzan más rápido cuanto más alta es la temperatura.
¿A qué temperatura se ha calentado el plasma hasta ahora? Hasta decenas de millones de grados. Y este no es el límite. Los investigadores ya están al borde de una reacción de fusión termonuclear controlada, durante la cual se liberan enormes cantidades de energía. Imagina un sol artificial. Y no uno, sino varios. Después de todo, cambiarán el clima de nuestro planeta, eliminarán para siempre la preocupación por el combustible de la humanidad.
Estos son los usos del plasma. Mientras tanto, se están realizando investigaciones. Grandes equipos de científicos están trabajando duro, acercando el día en que el cuarto estado de la materia será tan común para nosotros como los otros tres.
Todo el mundo, creo, conoce 3 estados básicos de agregación: líquido, sólido y gaseoso. Nos encontramos con estos estados de la materia todos los días y en todas partes. La mayoría de las veces se considera que utilizan el ejemplo del agua. El estado líquido del agua nos resulta más familiar. Constantemente bebemos agua líquida, fluye de nuestro grifo y nosotros mismos somos un 70% de agua líquida. El segundo estado agregado del agua es el hielo ordinario, que vemos en la calle en invierno. En forma gaseosa, el agua también es fácil de encontrar en la vida cotidiana. En estado gaseoso, el agua es, como todos sabemos, vapor. Se puede ver cuando, por ejemplo, estamos hirviendo una tetera. Sí, es a 100 grados que el agua cambia de estado líquido a gaseoso.
Estos son los tres estados agregados de la materia que nos son familiares. ¿Pero sabías que en realidad hay 4 de ellos? Creo que todos han escuchado la palabra "plasma" al menos una vez. Y hoy quiero que también aprenda más sobre el plasma, el cuarto estado de agregación de la materia.
El plasma es un gas parcial o totalmente ionizado con la misma densidad de cargas positivas y negativas. El plasma se puede obtener a partir del gas, a partir del 3 estado de agregación de la materia mediante un fuerte calentamiento. El estado de agregación en general, de hecho, depende completamente de la temperatura. El primer estado de agregación es la temperatura más baja a la que el cuerpo conserva su dureza, el segundo estado de agregación es la temperatura a la que el cuerpo comienza a derretirse y a volverse líquido, el tercer estado de agregación es la temperatura más alta a la que la sustancia se convierte en gas. Para cada cuerpo, sustancia, la temperatura de la transición de un estado de agregación a otro es completamente diferente, para algunos es más baja, para algunos es más alta, pero para todos está estrictamente en esta secuencia. ¿Y a qué temperatura la sustancia se convierte en plasma? Dado que este es el cuarto estado, significa que la temperatura de transición a él es más alta que la de cada uno de los anteriores. Y de hecho lo es. Para ionizar un gas, se requiere una temperatura muy alta. El plasma de temperatura más baja y poco ionizado (alrededor del 1%) se caracteriza por temperaturas de hasta 100 mil grados. En condiciones terrestres, dicho plasma se puede observar en forma de rayo. La temperatura del canal del rayo puede superar los 30 mil grados, que es 6 veces más alta que la temperatura de la superficie del sol. Por cierto, el Sol y todas las demás estrellas también son plasma, más a menudo son de alta temperatura. La ciencia demuestra que aproximadamente el 99% de toda la materia del Universo es plasma.
A diferencia del plasma de baja temperatura, el plasma de alta temperatura tiene casi un 100% de ionización y temperaturas de hasta 100 millones de grados. Esta es una temperatura verdaderamente estelar. En la Tierra, dicho plasma se encuentra solo en un caso: para experimentos de fusión termonuclear. Una reacción controlada es bastante compleja y consume mucha energía, pero una incontrolada ha demostrado ser un arma de un poder colosal: una bomba termonuclear probada por la URSS el 12 de agosto de 1953.
El plasma se clasifica no solo por temperatura y grado de ionización, sino también por densidad y cuasi-neutralidad. Colocación densidad plasmática generalmente significa densidad de electrones, es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen. Bueno, con esto, creo que todo está claro. Pero no todo el mundo sabe qué es la cuasineutralidad. La cuasineutralidad del plasma es una de sus propiedades más importantes, que consiste en la igualdad prácticamente exacta de las densidades de los iones positivos y electrones incluidos en su composición. Debido a la buena conductividad eléctrica del plasma, la separación de cargas positivas y negativas es imposible a distancias de grandes longitudes de Debye y tiempos de grandes períodos de oscilaciones del plasma. Casi todo el plasma es cuasineutral. Un ejemplo de plasma no cuasi neutro es un haz de electrones. Sin embargo, la densidad de los plasmas no neutros debe ser muy baja, de lo contrario se descompondrán rápidamente debido a la repulsión de Coulomb.
Hemos considerado muy pocos ejemplos terrestres de plasma. Pero hay muchos de ellos. El hombre ha aprendido a usar el plasma para su propio bien. Gracias al cuarto estado agregado de la materia, podemos utilizar lámparas de descarga de gas, televisores de plasma, soldadura por arco eléctrico y láseres. Las lámparas fluorescentes de descarga de gas convencionales también son de plasma. También hay una lámpara de plasma en nuestro mundo. Se utiliza principalmente en ciencia para estudiar y, lo que es más importante, ver algunos de los fenómenos plasmáticos más complejos, incluida la filamentación. Se puede ver una fotografía de dicha lámpara en la siguiente imagen:
Además de los dispositivos de plasma domésticos, el plasma natural también se puede ver a menudo en la Tierra. Ya hemos hablado de uno de sus ejemplos. Esto es un rayo. Pero además de los rayos, los fenómenos del plasma incluyen la aurora boreal, los “incendios de San Telmo”, la ionosfera de la Tierra y, por supuesto, el fuego.
Observe que el fuego, los relámpagos y otras manifestaciones de plasma, como lo llamamos, están en llamas. ¿Cuál es la razón de una emisión de luz tan brillante de un plasma? El brillo del plasma es causado por la transición de electrones de un estado de alta energía a un estado de baja energía después de la recombinación con iones. Este proceso da como resultado una radiación con un espectro correspondiente al gas que se está excitando. Por eso brilla el plasma.
También me gustaría contar un poco sobre la historia del plasma. Después de todo, una vez solo se denominaron plasma a sustancias como el componente líquido de la leche y el componente incoloro de la sangre. Todo cambió en 1879. Fue en ese año que el famoso científico inglés William Crookes, mientras estudiaba la conductividad eléctrica en los gases, descubrió el fenómeno del plasma. Es cierto que este estado de la materia no se llamó plasma hasta 1928. Y esto lo hizo Irving Langmuir.
En conclusión, quiero decir que un fenómeno tan interesante y misterioso como el rayo esférico, sobre el que he escrito en este sitio más de una vez, es, por supuesto, también un plasmoide, como un rayo ordinario. Este es quizás el plasmoide más inusual de todos los fenómenos del plasma terrestre. Después de todo, hay alrededor de 400 teorías muy diferentes sobre el rayo esférico, pero ninguna de ellas ha sido reconocida como verdaderamente correcta. En condiciones de laboratorio, se obtuvieron fenómenos similares, pero a corto plazo, de varias formas diferentes, por lo que la cuestión de la naturaleza de los rayos esféricos permanece abierta.
El plasma convencional, por supuesto, también se creó en laboratorios. Una vez fue difícil, pero ahora tal experimento no es difícil. Dado que el plasma se ha convertido en parte de nuestro arsenal doméstico, se están realizando muchos experimentos en los laboratorios.
Los experimentos con plasma en gravedad cero se convirtieron en un descubrimiento interesante en el campo del plasma. Resulta que el plasma cristaliza en el vacío. Ocurre así: las partículas de plasma cargadas comienzan a repelerse entre sí, y cuando tienen un volumen limitado, ocupan el espacio que se les asigna, dispersándose en diferentes direcciones. Se parece mucho a una celosía de cristal. ¿No significa esto que el plasma es el vínculo de cierre entre el primer estado de agregación de la materia y el tercero? Después de todo, se convierte en plasma debido a la ionización del gas y, en el vacío, el plasma vuelve a ser, por así decirlo, sólido. Pero esto es solo mi suposición.
Los cristales de plasma en el espacio también tienen una estructura bastante extraña. Esta estructura se puede observar y estudiar solo en el espacio, en un vacío cósmico real. Incluso si crea un vacío en la Tierra y coloca plasma allí, la gravedad simplemente exprimirá toda la "imagen" que se forma en el interior. En el espacio, los cristales de plasma simplemente despegan, formando una estructura tridimensional de una forma extraña. Después de enviar los resultados de las observaciones de plasma en órbita a científicos terrestres, resultó que los vórtices en el plasma repiten de una manera extraña la estructura de nuestra galaxia. Esto significa que en el futuro será posible comprender cómo se originó nuestra galaxia mediante el estudio del plasma. Las fotografías a continuación muestran el mismo plasma cristalizado.
Plasma Lámpara de plasma que ilustra algunos de los fenómenos plasmáticos más complejos, incluida la filamentación. El brillo del plasma es causado por la transición de electrones de un estado de alta energía a un estado de baja energía después de la recombinación con iones. Este proceso da como resultado una radiación con un espectro correspondiente al gas que se está excitando.
La palabra "ionizado" significa que al menos un electrón está separado de las capas de electrones de una parte significativa de átomos o moléculas. La palabra "cuasi-neutral" significa que, a pesar de la presencia de cargas libres (electrones e iones), la carga eléctrica total del plasma es aproximadamente igual a cero. La presencia de cargas eléctricas libres convierte al plasma en un medio conductor, lo que provoca su interacción mucho mayor (en comparación con otros estados agregados de la materia) con los campos eléctricos y magnéticos. El cuarto estado de la materia fue descubierto por W. Crookes en 1879 y denominado "plasma" por I. Langmuir en 1928, posiblemente debido a su asociación con el plasma sanguíneo. Langmuir escribió:
Excepto por el espacio alrededor de los electrodos, donde se encuentra una pequeña cantidad de electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en cantidades casi iguales, con el resultado de que la carga total del sistema es muy pequeña. Usamos el término "plasma" para describir esta región generalmente eléctricamente neutra de iones y electrones.
Según los conceptos actuales, el estado de fase de la mayor parte de la materia (en masa, alrededor del 99,9%) en el Universo es plasma. Todas las estrellas están compuestas de plasma, e incluso el espacio entre ellas está lleno de plasma, aunque muy enrarecido (ver espacio interestelar). Por ejemplo, el planeta Júpiter ha concentrado en sí mismo prácticamente toda la sustancia del sistema solar, que se encuentra en estado "no plasmático" (líquido, sólido y gaseoso). Además, la masa de Júpiter es solo aproximadamente el 0,1% de la masa del sistema solar, y su volumen es incluso menor: solo el 10-15%. En este caso, las partículas de polvo más pequeñas que llenan el espacio y llevan una cierta carga eléctrica sobre sí mismas, en conjunto, se pueden considerar como un plasma que consiste en iones cargados superpesados (ver plasma polvoriento).
El plasma es un gas parcial o totalmente ionizado en el que las densidades de cargas positivas y negativas son prácticamente las mismas. No todos los sistemas de partículas cargadas pueden llamarse plasma. El plasma tiene las siguientes propiedades:
El plasma generalmente se separa en Perfecto y imperfecto, baja temperatura y alta temperatura, equilibrio y desequilibrio En este caso, con bastante frecuencia el plasma frío no está en equilibrio y el caliente es el equilibrio.
Al leer literatura de divulgación científica, el lector a menudo ve valores de temperatura del 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, pero en unidades de medida de la energía característica del movimiento de las partículas, por ejemplo, en electronvoltios (eV). Para convertir la temperatura a eV, puede usar la siguiente relación: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Por tanto, queda claro que se puede alcanzar fácilmente una temperatura de "decenas de miles de ° C".
En un plasma en desequilibrio, la temperatura del electrón es mucho más alta que la temperatura de los iones. Esto se debe a la diferencia en las masas del ion y del electrón, lo que complica el proceso de intercambio de energía. Esta situación se produce en las descargas de gas, cuando los iones tienen una temperatura de unos cientos y los electrones unas decenas de miles de K.
En plasma de equilibrio, ambas temperaturas son iguales. Dado que el proceso de ionización requiere temperaturas comparables al potencial de ionización, el plasma de equilibrio suele estar caliente (con una temperatura de más de varios miles de K).
Concepto plasma de alta temperatura Suele utilizarse para el plasma de fusión, que requiere temperaturas de millones de K.
Para que el gas pase al estado de plasma, debe ionizarse. El grado de ionización es proporcional al número de átomos que han donado o absorbido electrones y, sobre todo, depende de la temperatura. Incluso un gas débilmente ionizado, en el que menos del 1% de las partículas están ionizadas, puede exhibir algunas de las propiedades típicas de un plasma (interacción con un campo electromagnético externo y alta conductividad eléctrica). Grado de ionización α definido como α = norte I / ( norte yo + norte a), donde norte i es la concentración de iones, y norte a es la concentración de átomos neutros. Concentración de electrones libres en plasma no cargado norte e está determinado por la relación obvia: norte e =<Z> norte donde yo<Z> es el valor medio de la carga de iones de plasma.
El plasma de baja temperatura se caracteriza por un bajo grado de ionización (hasta 1%). Dado que tales 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 mediante acoplamiento inductivo o capacitivo (ver plasma acoplado inductivamente). Las aplicaciones típicas del plasma de baja temperatura incluyen la modificación por plasma de las propiedades de la superficie (películas de diamante, nitruración de metales, alteración de la humectabilidad), grabado con plasma de superficies (industria de semiconductores), purificación de gases y líquidos (ozonización de agua y combustión de partículas de hollín en motores diesel). .
El plasma caliente casi siempre está completamente ionizado (grado de ionización ~ 100%). Generalmente es ella quien se entiende bajo el "cuarto estado de agregación". El sol es un ejemplo.
Además de la temperatura, que es fundamental para la existencia misma del plasma, la segunda propiedad más importante del plasma es la densidad. Colocación densidad plasmática generalmente significa densidad de electrones, es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen (estrictamente hablando, aquí, la densidad se llama concentración, no la masa de una unidad de volumen, sino el número de partículas por unidad de volumen). En plasma cuasineutral densidad de iones conectado con él a través del número medio de carga de iones :. La siguiente cantidad importante es la densidad de átomos neutros. En plasma caliente, es pequeño, pero sin embargo puede ser importante para la física de los procesos en plasma. Cuando se consideran procesos en plasma denso, no ideal, el parámetro de densidad característico se convierte en, que se define como la relación entre la distancia media entre partículas y el radio de Bohr.
Dado que el plasma es un muy buen conductor, las propiedades eléctricas son importantes. Potencial de plasma o espacio potencial Llamemos al valor medio del potencial eléctrico en un punto dado del espacio. Si se introduce un cuerpo en el plasma, su potencial en el caso general será menor que el potencial del plasma debido a la aparición de una capa de Debye. Este potencial se llama potencial flotante... Debido a su buena conductividad eléctrica, el plasma tiende a proteger todos los campos eléctricos. Esto conduce al fenómeno de cuasi-neutralidad: la densidad de cargas negativas es, con buena precisión, 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 de grandes longitudes de Debye y tiempos de grandes períodos de oscilaciones del plasma.
Un ejemplo de plasma no cuasi neutro es un haz de electrones. Sin embargo, la densidad de los plasmas no neutros debe ser muy baja, de lo contrario se descompondrán rápidamente debido a la repulsión de Coulomb.
El plasma a menudo se llama cuarto estado de la materia... Se diferencia de los tres estados agregados menos energéticos de la materia, aunque es similar a la fase gaseosa en que no tiene una forma o volumen definido. Hasta ahora, existe una discusión sobre si el plasma es un estado de agregación separado o simplemente un gas caliente. La mayoría de los físicos creen que el plasma es más que gas debido a las siguientes diferencias:
| Propiedad | Gas | Plasma |
|---|---|---|
| Conductividad eléctrica | Extremadamente pequeño Por ejemplo, el aire es un excelente aislante hasta que se transforma en un estado de plasma por un campo eléctrico externo de 30 kilovoltios por centímetro. |
Muy alto
|
| Número de clases de partículas | Uno Los gases consisten en partículas similares entre sí, que están en movimiento térmico y también se mueven bajo la influencia de la gravedad e interactúan entre sí solo a distancias relativamente pequeñas. |
Dos o tres o más Los electrones, iones y partículas neutras se distinguen por el signo e. cargan y pueden comportarse de forma independiente entre sí, tienen diferentes velocidades e incluso temperaturas, lo que es el motivo de la aparición de nuevos fenómenos, como ondas e inestabilidades. |
| Distribución de velocidad | De Maxwell Las colisiones de partículas entre sí conducen a una distribución de velocidades maxwelliana, según la cual una fracción muy pequeña de moléculas de gas tiene velocidades relativamente altas. |
Quizás no maxwelliano Los campos eléctricos tienen un efecto diferente sobre las velocidades de las partículas que las colisiones, que siempre conducen a una Maxwellization de la distribución de velocidades. La dependencia de la velocidad de la sección transversal para las colisiones de Coulomb puede aumentar esta diferencia, dando lugar a efectos como distribuciones de dos temperaturas y electrones fuera de control. |
| Tipo de interacción | Binario Como regla general, las colisiones de dos partículas, las colisiones de tres partículas son extremadamente raras. |
Colectivo Cada partícula interactúa con muchas a la vez. Estas interacciones colectivas son mucho más poderosas que las de dos partículas. |
Aunque las ecuaciones básicas que describen los estados de un plasma son relativamente simples, en algunas situaciones no pueden reflejar adecuadamente el comportamiento de un plasma real: la ocurrencia de tales efectos es una propiedad típica de los sistemas complejos si se utilizan modelos simples para describirlos. La mayor diferencia entre el estado real del plasma y su descripción matemática se observa en las denominadas zonas límite, donde el plasma pasa de un estado físico a otro (por ejemplo, de un estado con un grado bajo de ionización a un estado altamente ionizado). estado ionizado). En este caso, el plasma no se puede describir utilizando funciones matemáticas sencillas y uniformes o utilizando un enfoque probabilístico. Efectos como un cambio espontáneo en la forma de un plasma son consecuencia de la complejidad de la interacción de las partículas cargadas que forman el plasma. Tales fenómenos son interesantes porque se manifiestan bruscamente y no son estables. Muchos de ellos fueron originalmente estudiados en laboratorios y luego fueron descubiertos en el universo.
El plasma se puede describir con varios niveles de detalle. El plasma generalmente se describe por separado de los campos electromagnéticos. Una descripción conjunta de un fluido conductor y campos electromagnéticos se da en la teoría de fenómenos magnetohidrodinámicos o teoría MHD.
En el modelo de 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 tratan de la misma manera.
A veces, el modelo líquido resulta 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 sobre coordenadas y momentos. El modelo se basa en la ecuación de Boltzmann. La ecuación de Boltzmann es inaplicable para describir un 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 una 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 inhomogeneidades plasmáticas.
Los modelos Particle-In-Cell son más detallados que los modelos cinéticos. Incluyen información cinética al rastrear las trayectorias de una gran cantidad de partículas individuales. La carga eléctrica y las densidades de corriente se determinan sumando el número de partículas en las células, que son pequeñas en comparación con el problema en cuestión, pero que, sin embargo, contienen una gran cantidad de partículas. Los campos eléctricos y magnéticos se encuentran a partir de las densidades de cargas y corrientes en los límites de las células.
Todas las cantidades se dan en unidades CGS gaussianas con la excepción de la temperatura, que se da en eV, y las masas de iones, que se dan en unidades de masa de protones; Z- número de cargo; k- constante de Boltzmann; PARA- longitud de onda; γ - índice adiabático; ln Λ - Logaritmo de Coulomb.
