El plasma, estado de la materia

El plasma es un estado de la materia distinto de los estados sólidos, líquidos y gaseosos.

Se caracteriza por ser un gas ionizado en el que los átomos han perdido o ganado electrones, creando una mezcla de iones positivos y electrones libres. En un sentido más amplio, el plasma puede estar compuesto por cualquier partícula cargada, como iones negativos, electrones, y átomos o moléculas ionizados.

Transición a plasma

El plasma se forma cuando un gas se calienta a temperaturas extremadamente altas, suficientes para ionizar los átomos y moléculas. Este estado es conocido como el cuarto estado de agregación de la materia.

A diferencia de los sólidos, líquidos y gases, el plasma no tiene una forma ni un volumen definidos. Sus partículas cargadas se mueven libremente, permitiendo que el plasma responda a campos eléctricos y magnéticos.

Relación con la electricidad

Una de las propiedades distintivas del plasma es su capacidad para conducir corriente eléctrica.

Esto se debe a la presencia de electrones libres e iones en el plasma, que permiten que el plasma actúe como un conductor. Además, los plasmas pueden generar sus propios campos eléctricos y son altamente influenciados por los campos magnéticos.

Esta propiedad hace que el plasma sea esencial en diversas aplicaciones tecnológicas, como en tubos fluorescentes y luces de neón, donde la electricidad excita el gas en el interior del tubo, produciendo luz visible.

Relación con la energía nuclear de fusión

La fusión nuclear es el proceso en el que dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía en el proceso.

Para que la fusión nuclear ocurra, los núcleos atómicos deben superar una barrera de repulsión electrostática debido a sus cargas positivas. Esto requiere que los átomos se mantengan a temperaturas extremadamente altas, del orden de millones de grados Celsius, para que puedan obtener suficiente energía cinética para vencer esta repulsión y permitir la fusión.

A estas temperaturas extremadamente altas, el material se encuentra en el estado de plasma. En el plasma, los átomos están completamente ionizados, y las partículas cargadas (iones y electrones) se mueven libremente. Esto es crucial porque las reacciones de fusión requieren temperaturas y presiones tan altas que los átomos se convierten en plasma, permitiendo que los núcleos atómicos se encuentren y fusionen.

Para que la fusión nuclear sea viable, el plasma debe ser confinado y mantenido a las condiciones necesarias. Hay dos métodos principales para confinar el plasma:

• Confinamiento magnético: Utiliza campos magnéticos para mantener el plasma a temperaturas altas y evitar que toque las paredes del contenedor. Ejemplos incluyen el tokamak y el stellarator, que son dispositivos experimentales en los que se investiga la fusión.
• Confinamiento inercial: Utiliza láseres o otros métodos para calentar y comprimir pequeñas muestras de combustible de fusión, creando las condiciones necesarias para la fusión.

Mantener un plasma en las condiciones adecuadas para la fusión es un desafío técnico significativo. Los ingenieros nucleares deben controlar la temperatura del plasma, su densidad, y su confinamiento durante el tiempo suficiente para que ocurran reacciones de fusión de manera efectiva.

Diferencias con los estados gaseosos

Aunque el plasma comparte algunas características con el estado gaseoso, como la falta de forma y volumen definidos, hay diferencias clave:

• Ionización: A diferencia de los gases ordinarios, en el plasma los átomos están ionizados, creando una mezcla de iones y electrones libres.
• Conducción eléctrica: El plasma puede conducir electricidad y es sensible a campos eléctricos y magnéticos, mientras que los gases neutros no tienen esta capacidad.
• Interacciones electromagnéticas: El plasma interactúa intensamente con campos magnéticos y eléctricos, a diferencia de los gases que son menos afectados por estos campos.

El Plasma en el universo

El plasma es el estado de la materia más abundante en el universo. La mayoría de la materia bariónica (compuesta por protones y neutrones) en el cosmos existe en forma de plasma. Todas las estrellas, incluyendo nuestro sol, están compuestas de plasma. Incluso el espacio interstelar, aunque muy enrarecido, contiene plasma.

Por ejemplo, Júpiter, el planeta más grande del Sistema Solar, contiene una significativa cantidad de materia en formas no plasmáticas (líquidos, sólidos y gases), pero el plasma es una parte crucial de su composición y dinámica.

Incluso las partículas de polvo en el espacio exterior, que pueden llevar una carga eléctrica, se consideran parte del plasma universal. Estas partículas pueden formar plasmas complejos compuestos por iones cargados, contribuyendo a la diversidad y extensión del plasma en el cosmos.

Ejemplos de plasma

A continuación mostramos algunos ejemplos de plasma que pueden ser de origen natural o artificial:

1. Estrellas y sol: Las estrellas, incluyendo el Sol, están compuestas principalmente de plasma. En el interior de las estrellas, las temperaturas extremadamente altas provocan la ionización de los átomos, creando un plasma que permite las reacciones de fusión nuclear.
2. Auroras boreales y australes: Estas impresionantes exhibiciones de luz en el cielo polar son causadas por el plasma. El viento solar, un plasma de partículas cargadas, interactúa con la atmósfera terrestre, ionizando los gases y creando las auroras.
3. Relámpagos: Durante una tormenta eléctrica, los relámpagos crean un plasma en la atmósfera. La descarga eléctrica ioniza los gases del aire, generando un canal de plasma brillante y caliente.
4. Viento solar: El viento solar es una corriente de partículas cargadas (plasma) emitidas por el Sol. Estas partículas pueden interactuar con el campo magnético de la Tierra y otros planetas, creando fenómenos como las auroras.
5. Lámparas de neón y tubos fluorescentes: Estas lámparas contienen gases en estado de plasma. Cuando se aplica un voltaje eléctrico, el gas se ioniza, produciendo luz. Las lámparas de neón emiten una luz característica de color rojo, mientras que los tubos fluorescentes pueden emitir una gama de colores dependiendo de los recubrimientos internos.
6. Pantallas de plasma: Las pantallas de plasma, utilizadas en televisores y monitores, funcionan mediante la excitación de gases ionizados en celdas dentro de la pantalla, lo que produce luz para crear imágenes.
7. Fusión nuclear en laboratorios: Los experimentos de fusión nuclear, como los que se realizan en dispositivos tokamak y stellarator, confinan un plasma a altas temperaturas para inducir reacciones de fusión. Estos dispositivos intentan recrear las condiciones extremas de las estrellas en un entorno controlado.
8. Corte por plasma: En la industria, el corte por plasma utiliza un chorro de plasma a alta temperatura para cortar materiales conductores, como metales. El plasma se genera mediante la ionización de un gas que es forzado a través de un pequeño orificio.
9. Lámparas de plasma de bola: Estas lámparas decorativas contienen un gas de plasma en una esfera de vidrio. Cuando se aplica un voltaje a los electrodos dentro de la esfera, el gas se ioniza y produce un espectáculo visual de descargas de luz.

Auroras boreales

Las auroras boreales (y australes) son ejemplos naturales de plasma.

Estas luces espectaculares se generan cuando partículas cargadas del viento solar colisionan con los átomos en la atmósfera terrestre. El viento solar, compuesto por un plasma de alta energía, interacciona con el campo magnético de la Tierra, provocando que las partículas sean dirigidas hacia los polos.

Al chocar con las moléculas de la atmósfera, estas partículas ionizan los gases, creando las impresionantes exhibiciones de luz conocidas como auroras.