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 Ni, electrones Ne y
átomos neutros Na 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 (Ni = Ne). Los plasmas
también están caracterizados por las temperaturas de sus diferentes
grupos de partículas (temperaturas electrónicas KBTe,
iónicas KBTi y del gas neutro KBTa)
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 Ne entre 106 y 108 cm-3
y KBTe 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 Ne. 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.
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