¿Se puede contar un estado plasmático? | Las científicas responden

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Un estado de plasma es un plasma. Al cuarto estado de la materia lo llamamos plasma, después de los otros tres: líquido, sólido y gaseoso. Realmente es un gas ionizado. Disponemos de un gas neutro estable y le suministramos energía, normalmente en forma de descarga eléctrica. Lo que sucede entonces es que algunos de los átomos de ese gas se «rompen». Los electrones en la parte más externa del átomo reciben suficiente energía para separarse del núcleo y moverse libremente a través del gas. Este es un gas ionizado, es decir, un plasma o un estado de plasma.

Al cuarto estado de la materia lo llamamos plasma, después de los otros tres: líquido, sólido y gaseoso.

En la vida cotidiana nos encontramos con estos gases o plasmas ionizados: fenómenos de la naturaleza como la aurora boreal en la que parte de la atmósfera, que es un gas, está ionizada por partículas que llegan del espacio o por los rayos de tormentas en las que el potencial La diferencia entre el cielo y la tierra hace que cuando el circuito se cierra y se conecta, el aire se ioniza y este es el resplandor que vemos como un rayo. Fuera de la naturaleza, pero más a mano, tenemos plasmas más tecnológicos como los tubos fluorescentes que son tubos con un gas en cuyo interior se aplica una descarga eléctrica, es decir, el circuito está cerrado, y que genera un plasma. Y también están las esferas de plasma, esos juguetes de los que salen los rayos, a los que te acercas a tu mano y el rayo va hacia tu dedo. Pues son lo mismo, un gas dentro de esa esfera al que se le aplica un poco de voltaje y el resultado es, de nuevo, un plasma.

Si pasamos a otras aplicaciones menos cotidianas hay algunas de uso habitual en el sector como la soldadura por arco de plasma, algunos procesos de desinfección o incluso en medicina, por ejemplo son exactamente iguales los bisturís eléctricos, un plasma que corta y cauteriza. Y también tenemos plasma bajo investigación. El más famoso de todos es el reactor ITER que se está construyendo en el sur de Francia. Lo que queremos conseguir en el ITER es la energía de fusión, que es el proceso opuesto al de la fisión por el que ahora obtenemos energía en las centrales nucleares. La fusión consiste en unir dos átomos mediante tremendas colisiones. En este proceso se libera una enorme cantidad de energía que queremos aprovechar. Para obtener esta fusión es necesario partir de un plasma altamente ionizado, es decir, con muchos de sus átomos «rotos». A través de imanes y campos magnéticos los acercamos unos a otros hasta que finalmente no tienen más remedio que fusionarse. Se usa plasma porque si no es muy difícil tener muchos electrones y muchos iones, (átomos que han perdido electrones), viajan libres.

Hay muchos parámetros que se pueden medir.

A tu pregunta sobre cómo medir un plasma, debo comenzar por decirte que hay muchos parámetros que se pueden medir. Podemos medir el grado de ionización, cuántos átomos están «rotos». Si aplica un poco de energía, pocas se romperán, pero si aporta mucha energía, muchas de ellas se liberarán. A esto se le llama grado de ionización y está relacionado con el primer parámetro que podemos medir, que es la densidad. Podemos medir la densidad de iones y la densidad de electrones. Y se mide como cualquier otra densidad de partículas en cm-3.

También podemos medir la temperatura del plasma, aunque cuando hablamos de la temperatura en un plasma nos referimos a la energía en las diferentes partículas. Lo que mides son velocidades y con energía cinética lo relacionas con la temperatura. Si estamos midiendo la energía de los iones estamos hablando de una temperatura iónica y si estamos hablando de electrones estamos hablando de temperatura electrónica. Las unidades de estas energías se denominan electronvoltios, no se utilizan los joules habituales, ni los grados porque no es una temperatura real.

También puedes medir la distribución de las partículas, es decir, cómo están organizadas dentro del plasma porque dependiendo de si les aplicamos un voltaje positivo, atraeremos todos los electrones y viceversa, los iones irán al lado negativo. También puede medir el campo eléctrico, es decir, la distribución de voltaje dentro del plasma que la estructura realmente le proporciona.

Pero medir un plasma es muy complicado. No podemos lograr con un dispositivo para medir lo que queremos medir. Para empezar, están en cámaras de vacío, por lo que es difícil acceder a ellas. Luego está el tema de las presiones y temperaturas, que pueden ser muy bajas, así como enormes, cientos e incluso miles de grados. A pesar de esto, se han desarrollado varios métodos de medición. Uno de los más clásicos es el de las sondas metálicas que se introducen en el plasma para aplicar una pequeña corriente. Desde allí puede obtener información. El problema es que este método es invasivo, perturba el plasma. Para tener una mejor resolución y no perturbar el plasma, existen métodos basados ​​en óptica, especialmente en espectroscopía de emisión, es decir, recolectar la luz emitida por este plasma y analizarlo nos ayuda a conocer cosas como su densidad o temperatura. También existen métodos de espectroscopia activa en los que se puede introducir, por ejemplo, una radiación láser enfocada a lo que se quiere medir y se puede interactuar con el plasma de una forma muy local con la que la perturbación es mínima. Y este método permite mediciones de resolución espacial y temporal muy altas. Dediqué mi tesis precisamente a esto.

Veronica Gonzalez Fernandez Es Doctor en Física, Catedrático e Investigador de Física y Óptica del Plasma en la Universidad Complutense de Madrid.

Pregunta enviada por correo electrónico desde Yesi thill

Coordinación y redacción: Victoria Toro

Nosotros contestamos es una clínica científica semanal, patrocinada por la Fundación Dr. Antoni Esteve y el programa L’Oréal-Unesco «Para las mujeres en la ciencia», que responde a las preguntas de los lectores sobre ciencia y tecnología. Son científicos y tecnólogos, miembros de la Asociación de Mujeres Investigadoras y Tecnológicas (AMIT), quienes responden a estas preguntas. Envíe sus preguntas a nosotrasrespondemos@gmail.com o en Twitter #nosotrasrespondemos

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