UNA HIPÓTESIS DE TRABAJO SOBRE ANOMALÍAS VARIABLES 1°PARTE

FENOMENOS DE PLASMA Y TEMPERATURA AMBIENTE

Para mayor información, el lector interesado puede consultar cualquier libro de texto de Física de Plasmas como Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion. Vol.   1, Plasma Physics. por F.F. Chen, Plenum Press, New York  (1984).

Los plasmas son una mezcla de partículas cargadas positiva y negativamente, caracterizadas por el número de iones positivos N_i, electrones N_e y átomos neutros N_a por unidad de volumen. En el estado de equilibrio el plasma es cuasineutro y esto significa que las densidades de carga positivas y negativas son iguales (N_i = N_e). Los plasmas también están caracterizados por las temperaturas de sus diferentes grupos de partículas (temperaturas electrónicas K_BT_e, iónicas K_BT_i y del gas neutro K_BT_a) que miden sus energías cinéticas medias. En el equilibrio termodinámico todas estas temperaturas son iguales, aunque este no es el caso más frecuente. Las energías características son altas y se miden en unidades de electrón voltios (eV) siendo 1 eV equivalente a 11.600 grados Kelvin. En consecuencia, la mayor parte de los plasmas son un medio de alta energía.

Las cargas se mueven libremente en los plasmas sometidas a las fuerzas ejercidas por los campos eléctricos y magnéticos. Por lo tanto, los movimientos de las partículas dependen no sólo de las condiciones locales, sino también del estado de regiones remotas y las especies cargadas en los plasmas presentan respuestas colectivas a los campos electromagnéticos externos.

Por tanto, un plasma es un gas cuasineutro de partículas cargadas y neutras que presenta comportamientos colectivos. 

Los plasmas se encuentran presentes en la naturaleza y pueden ser clasificados fundamentalmente atendiendo a su temperatura y densidad. Ambas magnitudes presentan una gran variación (de siete órdenes de magnitud en temperatura y más de veinte en densidad). Las densidades van desde 1 a 10²⁸ cm^-3 y las temperaturas desde 0.01 hasta 10⁶ eV. Este enorme rango puede ser apreciado si tenemos en cuenta que el aire y el agua difieren en densidad sólo en un factor 10³, el agua y las estrellas enanas blancas en 10⁵ y el agua y una estrella de neutrones en 10¹⁵.

Este descomunal rango es debido a que la Física de Plasmas abarca muy distintos fenómenos de interés para la Ciencia y la Técnica como son las descargas eléctricas, el plasma interplanetario, la corona solar, la ionosfera terrestre, motores iónicos para propulsión espacial, la fusión termonuclear controlada, ...etc.

En los experimentos de laboratorio, los plasmas se encuentran a menudo en un estado de no equilibrio (las temperaturas de los electrones, iones y átomos neutros son diferentes) y se originan ionizando por distintos medios un gas neutro a baja presión. En los plasmas fríos y débilmente ionizados el contenido relativo de partículas cargadas es pequeño, es decir, tienen grados de ionización bajos, menores que 10^-6. Por lo tanto, solo una pequeña fracción de los átomos del gas se encuentran ionizados y los valores típicos para los plasmas de nuestro interés son de N_e entre 10⁶ y 10⁸ cm^-3 y K_BT_e alrededor de 2-3 eV. Las temperaturas de los iones y átomos neutros son aproximadamente iguales a la temperatura ambiente que es de unos 0.05 eV.

CAPAS DOBLES EN PLASMA

Las capas dobles son estructuras de carga que se desarrollan dentro del volumen del plasma. Un salto de potencial conecta dos plasmas diferentes y acelera las partículas cargadas de signos opuestos. Este fenómeno se observa en el esquema del dibujo y en la fotografía se puede ver un experimento real con capas dobles.

La aceleración de los electrones corriente arriba incrementa sus colisiones con los átomos del gas donde una fracción de la energía del electrón es transformada en luz visible. El resultado es el desarrollo de estructuras brillantes dentro del volumen del plasma que pueden percibirse a simple vista. 

En este experimento, una placa metálica se encuentra positivamente polarizada con respecto a un plasma ambiente (evidenciado por el brillo azulado del fondo) y que por consiguiente drena una corriente electrónica. La nube brillante de plasma adherida a la placa se desarrolla cuando el voltaje de polarización es mayor que un valor crítico, para el que además se observa un brusco incremento en la corriente recogida por la placa. La corriente aumenta por las cargas adicionales producidas por la ionización local del gas neutro que tiene lugar dentro de la nube brillante.

El salto de potencial de la capa doble se encuentra situado en el borde de la nube brillante pegada al plato metálico y su anchura es muy pequeña (del orden de una fracción de milímetro); por el contrario, la nube de plasma brillante tiene habitualmente 1-2 centímetros de diámetro, como puede observarse en la fotografía.

  

CAPAS DOBLES MÚLTIPLES 

Los plasmas han sido generados en experimentos el laboratorio mediante descargas eléctricas desde las primeras investigaciones de la Física de Plasmas. Las descargas gaseosas (glow discharges en inglés) se producen aplicando un potencial eléctrico elevado entre dos electrodos metálicos situados dentro de un contenedor a baja presión. 

En descargas gaseosas con simetría esférica pueden producirse capas dobles sucesivas formando un perfil espacial de potencial de plasma en forma de escalera. En el experimento de las fotografías, se producía una descarga eléctrica entre los muros metálicos de una cámara de plasma y las superficies internas de un ánodo en forma de cavidad situado al extremo de un mástil que puede observarse en las fotografías. La corriente electrónica es enfocada sobre este electrodo y cada capa brillante corresponde a un plasma diferente separado del anterior y posterior por capas dobles. El salto del potencial de plasma se encuentra situado en los bordes que separan cada capa brillante precisamente donde cambia la luz. El número de capas de plasma cambia, manteniendo siempre la simetría hemisférica alrededor del electrodo colector variando las condiciones experimentales. 

DIAGNOSIS DE PLASMA CON SONDAS DE LANGMUIR

Debido al amplio rango en densidades y energías existente, las técnicas experimentales para caracterizar los plasmas constituyen un rama de la Física de Plasmas por sí mismas. En nuestros experimentos con plasmas fríos empleamos principalmente sondas eléctricas. La técnica más simple, denominada sonda de Langmuir que es un electrodo metálico con simetría bien definida inmerso en el volumen de plasma. Esta sonda es eléctricamente polarizada respecto del plasma y se mide la corriente que recoge.

En la fotografía de la nube brillante se observa una sonda de Langmuir esférica situada en el extremo de una pequeña barra vertical, enfrente de la placa colectora metálica. Esta sonda se emplea para medir las propiedades del plasma de fondo y estaba conectada a un circuito de medida externo.

En la figura (fig. con puntos azules) mostramos unas medidas reales donde se observa que para bajos voltajes (por debajo de -20 voltios) sólo se recoge una pequeña corriente. El potencial eléctrico impuesto a la sonda es primeramente negativo respecto del plasma de modo que son colectados iones y repelidos los electrones. Esta pequeña corriente negativa de la figura es denominada corriente de saturación iónica. A medida que el voltaje de polarización de la sonda se incrementa, los electrones que tienen energía suficiente pueden alcanzar la sonda y la corriente drenada aumenta. Cuando el potencial de polarización se incrementa, la corriente cambia de signo cuando cruzamos el potencial flotante, donde las corrientes iónicas y electrónicas son iguales. La corriente electrónica recogida crece a medida que más electrones del plasma son capaces de saltar la barrera de energía decreciente hasta alcanzar el codo que se observa entre los 0 y 20 voltios. En este punto el potencial de la sonda es igual al potencial del plasma y todos los electrones del mismo son capaces de alcanzar la sonda. La temperatura electrónica y la densidad pueden deducirse de estos datos así como el potencial de plasma en algunos casos. La corriente correspondiente es denominada corriente de saturación electrónica y permite determinar la densidad del plasma N_e. Para voltajes de polarización por encima del potencial de plasma la corriente sigue incrementándose debido al apantallamiento eléctrico imperfecto de la sonda y otros fenómenos físicos adicionales (ionizaciones, ...etc). 

Para obtener los datos experimentales de las gráficas se empleó una técnica de barrido rápido. Las medidas necesarias para tomar toda la curva duraron 1.78 ms mientras que la pausa entre dos curvas sucesivas fue de 0.38 ms. En la segunda figura (fig. con puntos rojos) esta técnica fue utilizada para evidenciar los saltos sobreimpuestos a la corriente de la sonda, que corresponden a perturbaciones en el plasma separadas unos 10^-4 s.

Otras técnicas con sondas eléctricas más sofisticadas son las sondas de Langmuir emisivas, empleadas para determinar el potencial del plasma o los analizadores electrostáticos de energía utilizados para medir el espectro de energía de los iones, entre otras.

Una excelente guía práctica para el lector interesado en estas técnicas experimentales es el artículo monográfico How Langmuir Probes Work by N. Herskowitz, en Plasma Diagnostics. Discharge Parameters and Chemistry editado por O. Auciello and D.L. Flamm, London, Academic Press,   pags. 113-183  (19

EN LOS últimos 30 años la astronomía de emisiones electromagnéticas de altas energías (ultravioleta, X y gamma), la radioastronomía y el sondeo de regiones espaciales in situ con medidores de partículas y de campos nos han mostrado una imagen del Sistema Solar muy diferente de la que se tenía anteriormente, haciéndonos ver que estamos rodeados de plasmas por todas partes. Hemos descubierto que esta presencia del plasma es universal y el universo de plasma, en muchos aspectos muy distinto del que se había descrito anteriormente, está apenas empezando a definirse. Uno de los propósitos principales de este libro es mostrar la gran abundancia de los plasmas naturales y describir las características generales de esos plasmas que llenan el espacio o que componen o rodean los cuerpos que lo pueblan. En los siguientes capítulos realizaremos un viaje hacia el exterior para ir descubriendo los plasmas que nos encontramos al alejarnos de la superficie de la Tierra. Empezaremos por los entornos plasmáticos de nuestro planeta y los demás planetas, describiremos después el plasma solar y el interplanetario y finalmente mencionaremos las estructuras de plasma que se encuentran fuera de nuestro sistema planetario y los plasmas que llenan los espacios interestelar e intergaláctico.

Las observaciones directas de los plasmas cercanos a la Tierra son un excelente laboratorio para conocer el comportamiento de los plasmas más distantes, pues los plasmas del Sistema solar no sólo cubren un amplio rango de densidades, temperaturas y magnetizaciones, sino que presentan también una rica variedad de fenómenos desde sencillos hasta muy complejos. Por otra parte, estas observaciones constituyen también la única forma de apreciar ciertos fenómenos en los plasmas espaciales que no son reproducibles en un laboratorio terrestre.