Plasma.
Introduccion
al estudio del estado de la materia denominado plasma,resena historica e
investigacion de la fisica de la reaccion termonuclear.
La historia de la
física del plasma es paralelo al desarrollo de la electricidad y del magnetismo.
De hecho,la física del plasma tiene su origen en la combinación de dos caminos
distintos de la física:la descarga gaseosa y el estudios de la ionosfera y la
astrofisica.
A diferencia de un metal o un electrolito, un gas, libre de influencias
exteriores, no contiene cargas libres que sirvan como portadoras en un campo
electrico. Sin embargo, los gases pueden hacerse conductores por
diversos medios, en todos los cuales algunas de las
moleculas se ionizan por desprendimiento de uno o mas de sus electrones
exteriores. Algunos de estes electrones pueden despues unirse a
moleculas neutras formando iones negativos, de modo que en un gas ionizado hay
presentes ordinariamente iones positivos y negativos y electrones libres.
El plasma físico
es una mezcla de partículas cargadas eléctricamente. Cuando se encuentra en
equilibrio, la carga negativa total del sistema es igual a la carga positiva
total. Bajo estas condiciones el plasma es un medio eléctricamente neutro que
conduce la corriente eléctrica. Sin embargo, en desequilibrio surgen en el
plasma campos eléctricos de gran magnitud. Con frecuencia se reconocen dos
tipos de plasmas físicos: el plasma débil y el fuertemente ionizado. El plasma
débil contiene fundamentalmente electrones e iones positivos. El plasma fuertemente
ionizado contiene además átomos y moléculas excitados y neutros. Si los
electrones, iones, átomos y moléculas del plasma presentan diversas
temperaturas se habla de la existencia de un plasma no isotérmico. Si estos
componentes tienen igual temperatura se habla de un plasma isotérmico.
Cuando la
temperatura de un medio es de 10000 grados Kelvin, toda la materia existente
esta en un estado de ionizacion,por esta razon el plasma es llamado cuarto
estado de la materia.Si un solido es calentado
suficientemente se obtiene un liquido,si se sigue aumentando la temperatura se
obtiene un gas y si continuamos calentando al gas llegara una temperatura que
los atomos se ionizaran y se obtiene un plasma, un 99% del universo
observable,esta en el estado de plasma
La condion de
alta temperatura,sin embargo no es necesaria,para que exista un plasma,si hay
un mecanismo para ionizar un gas y si este es de suficientemente baja densidad
para que la recombinacion de las particulas sea pequena,un plasma puede existir
a baja temperatura.Este es el caso de la obtencion de un plasma en el
laboratorio y en la ionosfera de la Tierra,un plasma se produce por
fotoionizacion de una capa muy tenue de la atmosfera externa,como lo demuestra
la cámara sensible a la luz ultravioleta a bordo del satelite IMAGE,que captó
una imagen del resplandor, de un plasma relativamente frío que rodea nuestro
planeta,como se muestra a continuacion:
Una
"cola" de plasma, arriba a la izquierda, se dirige hacia el Sol. El
círculo, más pequeño y débil, cerca del centro de la imagen es la radiación
ultravioleta de la aurora boreal (o "luces del norte").La región,
rodeada por el campo magnético de la Tierra, llamada "magnetósfera,"
regula el comportamiento de las partículas cargadas en el espacio cerca de la
Tierra y escuda nuestro planeta del viento solar. Eventos explosivos en el Sol
pueden cargar la magnetósfera con energía, generando tormentas magnéticas que
afectan los satélites, las comunicaciones y los sistemas de transmisión de
electricidad.
La magnetósfera
de la Tierra atrapa al plasma, la forma del mismo es en forma de cola de la
Tierra, que se forma a medida que algo del gas se vierte hacia el Sol,esta
estructura fue predicha 30 años atrás.
Se piensa que
esta forma de cola, es un flujo de plasma que regresa (hacia el Sol) cuando el
viento solar impacta y distorsiona la magnetósfera.
Desarrollo
de la investigacion del plasma.
Al mismo tiempo
que se trabajaba con altas tensiones en las descargas, se estudio la física de
la propagación de las ondas de radio alrededor de la superficie de la tierra. Se
descubio que las partículas cargadas provenientes del sol era atrapadas por el
campo magnético de la tierra dando por resultado la magnetosfera
(la banda de radiación de Van Allen), y un conjunto de partículas cargadas cubre la superficie de la tierra (la
ionosfera),a aproximadamente 60 kilómetros de la misma. La comprensión de la propagación
de las ondas electromagnéticas depende del estudio de las ondas que se pueden
excitar en un plasma. El trabajo fue realizado por Appleton y Altar y el primer
modelo que explicó el fenomeno fue el del " plasma frío "(1927). El
efecto del campo magnético complicó el movimiento de las partículas y un nuevo
tipo de onda que existe solamente en un plasma magnetizado fue descubierto por
Hans Alfven. Lejos de la tierra en el espacio interestelar, la mayoría de la
materia existe en el estado de plasma.
No fue hasta 1928
que Langmuir y Tonks, en el laboratorio de investigación de General Electric,
acuńo el término " plasma " a un gas ionizado. Como Tonks recordó
" la imagen del plasma de la sangre." El estudio del plasma se
convirtió en una amplia disciplina en la física. Muchos físicos contribuyeron a
la comprensión del plasma ,Seelinger(efecto ambipolar), Debye y Huckel
(longitud de Debye), Langmuir y Tonks (oscilaciones del plasma), Allis (función
de distribución de la velocidad.
Fusion termonuclear.
En 1929, Atkinson
y Houtermans propusieron que la energia del sol ,provenia de procesos de la fusión termonuclear y un proyecto
Matterhorn fue lanzado en los anos 50, su misión era producir energía por el
proceso de fusión termonuclear. En la temperatura de un reactor de fusión (100
millón oC), toda la materia esta onizado y existe en el estado de plasma. La
contención del plasma caliente en el laboratorio fue investigada por los
físicos Enrico Fermi y Edward Teller.
Una serie de
dispositivos magnéticos de confinamiento fueron estudiados para alcanzar la
meta del control de la fusión termonuclear. Los contenedores magnéticos iniciales
fueron el espejo magnético(magnetic mirror) del laboratorio Lawrence Livermore, el
stellerator del laboratorio de Princeton , “pinches”(palabra inglesa)magnéticos
,del laboratorio de Los Alamo y el tokamak ,del laboratorio de Kurchatov en La
Union Sovietica,que es el sistema que produce plasmas más caliente y más densos.
Actualmente,hay una colaboración
internacional para diseńar y construir un reactor Tokamak (ITER). Este proyecto
es el esfuerzo común de Estados Unidos, Europa, Japón y Rusia.
Metodos de produccion del plasma.
Varios métodos se
utilizan para producir un plasma gaseosa en un laboratorio. El primer es un
arco de alto voltaje,como los fenómeno naturales de relámpagos en tormentas. El
segundo método es por la descarga producida en un recipiente que posee un
filamento termionico , un haz electrónico es producido en un filamento caliente
y los electrones que emite dicho filamento son acelerados por un campo
electrico,estos al golpear contra las moleculas gaseosas producen un plasma.
Finalmente, para el dispositivo toroidal, un método simple es por ruptura (a modo de
tubo de descarga)del gas. Todos estos métodos se utilizan para estudiar la
física de plasma en el laboratorio. En el laboratorio, el tiempo de vida de un
plasma es determinado por su contacto con una superficie material sólida,ya que
el contacto enfria al plasma. Un campo magnético puede prolongar el tiempo de vida
del plasma manteniendo el plasma alejado de las paredes.
Eduardo Ghershman,15,6,2001
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