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Autor: Leonardo Tovar

Física de plasmas: Una nueva forma de entender

En nuestra vida diaria, interactuamos con una cantidad de fenómenos físicos todos ellos en estado, ya sea sólido, liquido o gaseoso. Pero estos estados son atípicos en el universo, en realidad el 90% de la materia visible en el universo existe en estado de plasma. Generalmente, nuestros conocimientos sobre el estado de plasma son limitados, debido a que es un estado excepcional en la tierra y es un tema relativamente tardío abordado en la física.

El entendimiento de la física de plasmas es esencial para cualquiera que busca entender procesos solares, astrofísicos y fusión nuclear. Porque, las principales aplicaciones de los plasmas son la producción de energía por fusión nuclear controlada (que es el futuro de las energías renovables) y astrofísica para entender la actividad de los campos magnéticos solares, magnetosferas planetarias, tormentas y vientos solares. Es innegable, la importancia de las energías renovables hoy en día, pero ¿por qué sería importante estudiar los campos magnéticos y tormentas solares?. En un mundo globalizado y tecnológico como el nuestro, una tormenta solar significaría una paralización en las telecomunicaciones, el internet, daños en los dispositivos electrónicos y mucho más [1]. Por lo tanto, en este blog se busca explicar los fundamentos básicos de la física de plasmas para un posterior análisis en las aplicaciones de ingeniería.

Imagen 1: Reacción nuclear controlada en un reactor tokamaks.

Imagen 2: Tormenta solar.

Definición

La definición más común de plasma es un gas ionizado con elevadas temperaturas. En otras palabras, el gas es cargado positivamente porque sus electrones han sido disparados, debido a la excitación inducida por la temperatura. Por la libertad de sus partículas facilita la inducción de campos eléctricos, ya que el plasma es un gas catódico rodeado de una nube de electrones. Es importante mencionar que, en el plasma todas sus partículas interactúan conjuntamente, lo que las diferencia completamente del comportamiento de un gas. Debido a esta interacción colectiva, los plasmas super calientes pueden ser confinados a través de la interacción con campo magnético [2].

Generalmente las altas temperaturas es un requisito para la formación de plasmas, pero también pueden ser generados por potenciales eléctricos. Por ejemplo: las lámparas de neón, en donde se tiene el gas a baja presión y por acción de la corriente es excitado y genera luz. Aunque, los plasmas sean abundantes en el universo, también en la tierra se presenta este estado. El fuego, las auroras boreales y los relámpagos son manifestaciones de plasmas en la tierra.

Existen dos tipos de plasmas, los parcialmente ionizados o fríos, en donde no todos los electrones han sido disparados aún y los plasmas completamente ionizados o calientes.

Imagen 3: Soldadura por arco eléctrico, plasma frio.

Imagen 4: Aurora boreal, plasma caliente.

Definición microscópica de plasmas

Como se mencionó anteriormente, el plasma es un gas ionizado quasi-neutral con partículas que exhiben un comportamiento colectivo. Sin embargo, ¿cuánta ionización es requerida? Una forma de estimar esta cantidad es con la ecuación de Saha. Esta ecuación, expresa la cantidad de ionización requerida de un gas en equilibro térmico.

Imagen 5: Ecuación de Saha.

Después de haber garantizado la ionización, se deben cumplir 3 condiciones para obtener el comportamiento colectivo en el plasma.

1. El tiempo de movimiento de las oscilaciones colectivas, debe ser mucho menor que el tiempo promedio entre colisiones de las partículas del plasma.
2. La escala de longitud de la dinámica del plasma debe ser mucho mayor que el tamaño mínimo sobre el que se mantiene la condición de cuasi-neutralidad.
3. La cantidad de partículas en la esfera de Debye, debe ser mucho mayor que uno.

Enfoque macroscópico de plasma

Para obtener un modelo macroscópico válido de la dinámica del plasma, el tamaño, la duración, la densidad y la fuerza del campo magnético deben ser lo suficientemente grandes para estabilizar el comportamiento del fluido y promediar los fenómenos microscópicos del modelo.

Modelos teóricos

Los procesos de los plasmas son descritos a través de modelos teóricos, cada uno es escogido, dependiendo de los fenómenos que se quiere estudiar. Generalmente, existen 3 tipos de modelos teóricos [2].

1. Teoría del movimiento de las partículas cargadas por individual en un campo magnético y eléctrico.
2. Teoría cinética de una colección de partículas descritas microscópicamente, a través de modelos estadísticos.
3. Teoría de fluido, describe los plasmas en términos de funciones macroscópicas (Magnetohidrodinámica).