Plasma (física)

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El plasma (del griego antiguo πλάσμα 'sustancia moldeable') es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia. Contiene una porción significativa de partículas cargadas: iones y/o electrones. La presencia de estas partículas cargadas es lo que distingue principalmente al plasma de los demás estados fundamentales de la materia. Es la forma más abundante de materia ordinaria en el universo, y se asocia principalmente con estrellas, incluido el Sol. Se extiende al medio intracúmulo enrarecido y posiblemente a regiones intergalácticas. El plasma se puede generar artificialmente calentando un gas neutro o sometiéndolo a un fuerte campo electromagnético.

La presencia de partículas cargadas hace que el plasma sea eléctricamente conductor, con la dinámica de las partículas individuales y el movimiento macroscópico del plasma gobernado por campos electromagnéticos colectivos y muy sensible a los campos aplicados externamente. La respuesta del plasma a los campos electromagnéticos se utiliza en muchos dispositivos tecnológicos modernos, como los televisores de plasma o el grabado con plasma.

Dependiendo de la temperatura y la densidad, también puede estar presente una cierta cantidad de partículas neutras, en cuyo caso el plasma se denomina parcialmente ionizado. Los letreros de neón y los relámpagos son ejemplos de plasmas parcialmente ionizados. A diferencia de las transiciones de fase entre los otros tres estados de la materia, la transición al plasma no está bien definida y es una cuestión de interpretación y contexto. Que un determinado grado de ionización sea suficiente para llamar a una sustancia "plasma" depende del fenómeno específico que se esté considerando.

Historia temprana

El plasma fue identificado por primera vez en laboratorio por Sir William Crookes. Crookes presentó una conferencia sobre lo que llamó "materia radiante" ante la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, en Sheffield, el viernes 22 de agosto de 1879. Los estudios sistemáticos del plasma comenzaron con la investigación de Irving Langmuir y sus colegas en la década de 1920. Langmuir también introdujo el término "plasma" como una descripción del gas ionizado en 1928:

Excepto cerca de los electrodos, donde hay vainas que contienen muy pocos electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en cantidades casi iguales, de modo que la carga espacial resultante es muy pequeña. Usaremos el nombre plasma para describir esta región que contiene cargas balanceadas de iones y electrones.

Lewi Tonks y Harold Mott-Smith, quienes trabajaron con Langmuir en la década de 1920, recuerdan que Langmuir utilizó por primera vez el término por analogía con el plasma sanguíneo. Mott-Smith recuerda, en particular, que el transporte de electrones desde los filamentos termoiónicos le recordó a Langmuir "la forma en que el plasma sanguíneo transporta glóbulos rojos y blancos y gérmenes".

Definiciones

El cuarto estado de la materia.

El plasma se llama el cuarto estado de la materia después de sólido, líquido y gas. Es un estado de la materia en el que una sustancia ionizada se vuelve altamente conductora de la electricidad hasta el punto de que los campos eléctricos y magnéticos de largo alcance dominan su comportamiento.

El plasma es típicamente un medio eléctricamente casi neutro de partículas positivas y negativas no unidas (es decir, la carga total de un plasma es aproximadamente cero). Aunque estas partículas no están unidas, no son "libres" en el sentido de no experimentar fuerzas. Las partículas cargadas en movimiento generan corrientes eléctricas, y cualquier movimiento de una partícula de plasma cargada afecta y es afectado por los campos creados por las otras cargas. A su vez, esto gobierna el comportamiento colectivo con muchos grados de variación.

El plasma es distinto de los otros estados de la materia. En particular, describir un plasma de baja densidad como simplemente un "gas ionizado" es incorrecto y engañoso, aunque es similar a la fase gaseosa en que ambas no asumen forma o volumen definidos. La siguiente tabla resume algunas diferencias principales:

Propiedad	Gas	Plasma
Interacciones	Binario : las colisiones de dos partículas son la regla, las colisiones de tres cuerpos son extremadamente raras.	Colectivo : Las ondas, o el movimiento organizado del plasma, son muy importantes porque las partículas pueden interactuar a grandes distancias a través de las fuerzas eléctricas y magnéticas.
Conductividad eléctrica	Muy baja : Los gases son excelentes aislantes hasta intensidades de campo eléctrico de decenas de kilovoltios por centímetro.	Muy alta : para muchos propósitos, la conductividad de un plasma puede tratarse como infinita.
Especies que actúan de forma independiente	Uno : todas las partículas de gas se comportan de manera similar, en gran medida influenciadas por las colisiones entre sí y por la gravedad.	Dos o más : los electrones y los iones poseen cargas diferentes y masas muy diferentes, por lo que se comportan de manera diferente en muchas circunstancias, con varios tipos de ondas e inestabilidades específicas del plasma que surgen como resultado.
Distribución de velocidad	Maxwelliana : Las colisiones generalmente conducen a una distribución de velocidad Maxwelliana de todas las partículas de gas.	A menudo no maxwellianas : las interacciones de colisión son relativamente débiles en los plasmas calientes y las fuerzas externas pueden alejar el plasma del equilibrio local.

Plasma ideal

Tres factores definen un plasma ideal:

La aproximación de plasma : La aproximación de plasma se aplica cuando el parámetro de plasma Λ, que representa el número de portadores de carga dentro de la esfera de Debye, es mucho mayor que la unidad. Puede demostrarse fácilmente que este criterio es equivalente a la pequeñez de la relación de las densidades de energía térmica y electrostática del plasma. Estos plasmas se denominan débilmente acoplados.
Interacciones a granel : la longitud de Debye es mucho más pequeña que el tamaño físico del plasma. Este criterio significa que las interacciones en la mayor parte del plasma son más importantes que las de sus bordes, donde pueden tener lugar efectos de contorno. Cuando se cumple este criterio, el plasma es casi neutro.
Ausencia de colisiones : la frecuencia del plasma de electrones (que mide las oscilaciones del plasma de los electrones) es mucho mayor que la frecuencia de colisión neutra de los electrones. Cuando esta condición es válida, las interacciones electrostáticas dominan los procesos de la cinética de gases ordinarios. Estos plasmas se denominan sin colisiones.

Plasma no neutro

La fuerza y el rango de la fuerza eléctrica y la buena conductividad de los plasmas generalmente aseguran que las densidades de cargas positivas y negativas en cualquier región considerable sean iguales ("casineutralidad"). Un plasma con un exceso significativo de densidad de carga o, en el caso extremo, está compuesto por una sola especie, se denomina plasma no neutro. En tal plasma, los campos eléctricos juegan un papel dominante. Los ejemplos son haces de partículas cargadas, una nube de electrones en una trampa de Penning y plasmas de positrones.

Plasma polvoriento

Un plasma polvoriento contiene diminutas partículas cargadas de polvo (que normalmente se encuentran en el espacio). Las partículas de polvo adquieren altas cargas e interactúan entre sí. Un plasma que contiene partículas más grandes se llama plasma de grano. En condiciones de laboratorio, los plasmas polvorientos también se denominan plasmas complejos .

Propiedades y parámetros

Densidad y grado de ionización

Para que exista el plasma es necesaria la ionización. El término "densidad de plasma" por sí solo generalmente se refiere a la densidad de electrones $nordeste}$ , es decir, el número de electrones que aportan carga por unidad de volumen. El grado de ionización $\alfa$ se define como la fracción de partículas neutras que se ionizan: ${\ estilo de visualización \ alfa = {\ frac {n_ {i}} {n_ {i} + n_ {n}}},}$ donde $n_{yo}$ es la densidad de iones y $n_n$ la densidad neutra (en número de partículas por unidad de volumen). En el caso de materia totalmente ionizada, $\ alfa = 1$ . Debido a la cuasineutralidad del plasma, las densidades de electrones e iones están relacionadas por $n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}$ , donde $\langle Z_{i}\rangle$ es la carga iónica promedio (en unidades de la carga elemental).

Temperatura

La temperatura del plasma, comúnmente medida en kelvin o electronvoltios, es una medida de la energía cinética térmica por partícula. Por lo general, se necesitan altas temperaturas para mantener la ionización, que es una característica definitoria de un plasma. El grado de ionización del plasma está determinado por la temperatura de los electrones en relación con la energía de ionización (y más débilmente por la densidad). En equilibrio térmico, la relación viene dada por la ecuación de Saha. A bajas temperaturas, los iones y los electrones tienden a recombinarse en estados unidos (átomos) y el plasma eventualmente se convertirá en gas.

En la mayoría de los casos, los electrones y las partículas pesadas del plasma (iones y átomos neutros) por separado tienen una temperatura relativamente bien definida; es decir, su función de distribución de energía es cercana a Maxwellian incluso en presencia de fuertes campos eléctricos o magnéticos. Sin embargo, debido a la gran diferencia de masa entre los electrones y los iones, sus temperaturas pueden ser diferentes, a veces significativamente. Esto es especialmente común en plasmas tecnológicos débilmente ionizados, donde los iones suelen estar cerca de la temperatura ambiente mientras que los electrones alcanzan miles de kelvin. El caso opuesto es el plasma z-pinch donde la temperatura de los iones puede exceder la de los electrones.

Potencial plasmático

Dado que los plasmas son muy buenos conductores eléctricos, los potenciales eléctricos juegan un papel importante. El potencial promedio en el espacio entre partículas cargadas, independientemente de cómo se pueda medir, se denomina "potencial de plasma" o "potencial espacial". Si se inserta un electrodo en un plasma, su potencial generalmente estará considerablemente por debajo del potencial del plasma debido a lo que se denomina vaina de Debye. La buena conductividad eléctrica de los plasmas hace que sus campos eléctricos sean muy pequeños. Esto da como resultado el importante concepto de "casineutralidad", que dice que la densidad de cargas negativas es aproximadamente igual a la densidad de cargas positivas en grandes volúmenes de plasma ( $n_e = \langle Z\rangle n_i$ ), pero en la escala de la longitud de Debye, puede haber un desequilibrio de carga. En el caso especial de que se formen capas dobles , la separación de carga puede extenderse algunas decenas de longitudes de Debye.

La magnitud de los potenciales y los campos eléctricos debe determinarse por medios distintos a la simple determinación de la densidad de carga neta. Un ejemplo común es asumir que los electrones satisfacen la relación de Boltzmann: $n_{e}\propto e^{e\Phi /k_{B}T_{e}}.$

Diferenciar esta relación proporciona un medio para calcular el campo eléctrico a partir de la densidad: ${\vec {E}}=(k_{B}T_{e}/e)(\nabla n_{e}/n_{e}).$

Es posible producir un plasma que no sea casi neutro. Un haz de electrones, por ejemplo, solo tiene cargas negativas. La densidad de un plasma no neutro generalmente debe ser muy baja, o debe ser muy pequeña, de lo contrario, será disipada por la fuerza electrostática repulsiva.

Magnetización

La existencia de partículas cargadas hace que el plasma genere y se vea afectado por campos magnéticos. Se dice que el plasma con un campo magnético lo suficientemente fuerte como para influir en el movimiento de las partículas cargadas está magnetizado. Un criterio cuantitativo común es que, en promedio, una partícula complete al menos un giro alrededor de la línea del campo magnético antes de colisionar, es decir, $\nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1$ , donde ${\ estilo de visualización \ nu _ {\ mathrm {ce}}}$ es la girofrecuencia del electrón y ${\ estilo de visualización \ nu _ {\ mathrm {coll}}}$ es la tasa de colisión de electrones. A menudo ocurre que los electrones se magnetizan mientras que los iones no. Los plasmas magnetizados son anisotrópicos , lo que significa que sus propiedades en la dirección paralela al campo magnético son diferentes de las perpendiculares a él. Si bien los campos eléctricos en los plasmas suelen ser pequeños debido a la alta conductividad del plasma, el campo eléctrico asociado con un plasma que se mueve con velocidad $\matemáticas {v}$ en el campo magnético $\matemáticas {B}$ viene dada por la fórmula habitual de Lorentz $\mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B}$ , y no se ve afectado por el blindaje de Debye.

Descripciones matemáticas

Para describir completamente el estado de un plasma, sería necesario escribir todas las ubicaciones y velocidades de las partículas que describen el campo electromagnético en la región del plasma. Sin embargo, generalmente no es práctico ni necesario realizar un seguimiento de todas las partículas en un plasma. Por lo tanto, los físicos de plasma suelen utilizar descripciones menos detalladas, de las cuales hay dos tipos principales:

Modelo fluido

Los modelos de fluidos describen plasmas en términos de cantidades suavizadas, como densidad y velocidad promedio alrededor de cada posición (ver Parámetros de plasma). Un modelo de fluido simple, la magnetohidrodinámica, trata el plasma como un solo fluido gobernado por una combinación de las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de Navier-Stokes. Una descripción más general es el plasma de dos fluidos, donde los iones y los electrones se describen por separado. Los modelos de fluidos suelen ser precisos cuando la colisión es lo suficientemente alta como para mantener la distribución de la velocidad del plasma cerca de una distribución de Maxwell-Boltzmann. Debido a que los modelos de fluidos generalmente describen el plasma en términos de un solo flujo a una cierta temperatura en cada ubicación espacial, no pueden capturar estructuras espaciales de velocidad como haces o capas dobles, ni resolver los efectos de onda-partícula.

Modelo cinético

Los modelos cinéticos describen la función de distribución de la velocidad de las partículas en cada punto del plasma y, por lo tanto, no es necesario asumir una distribución de Maxwell-Boltzmann. A menudo es necesaria una descripción cinética para plasmas sin colisión. Hay dos enfoques comunes para la descripción cinética de un plasma. Uno se basa en representar la función de distribución suavizada en una cuadrícula en velocidad y posición. La otra, conocida como técnica de partículas en celda (PIC), incluye información cinética siguiendo las trayectorias de un gran número de partículas individuales. Los modelos cinéticos son generalmente más intensivos en computación que los modelos de fluidos. La ecuación de Vlasov se puede utilizar para describir la dinámica de un sistema de partículas cargadas que interactúan con un campo electromagnético. En plasmas magnetizados,

Ciencia y tecnología del plasma

Los plasmas son objeto de estudio del campo académico de la ciencia del plasma o física del plasma , incluidas subdisciplinas como la física del plasma espacial. Actualmente involucra los siguientes campos de investigación activa y características en muchas revistas, cuyo interés incluye:

Los plasmas pueden aparecer en la naturaleza en varias formas y ubicaciones, que pueden resumirse ampliamente en la siguiente tabla:

producido artificialmente	plasmas terrestres	Plasmas espaciales y astrofísicos
Los que se encuentran en pantallas de plasma, incluidas las pantallas de televisión.Lámparas fluorescentes interiores (iluminación de bajo consumo), letreros de neónEscape de cohetes y propulsores de ionesEl área frente al escudo térmico de una nave espacial durante el reingreso a la atmósfera.Dentro de un generador de ozono de descarga de coronaInvestigación de energía de fusiónEl arco eléctrico en una lámpara de arco, un soldador de arco o una antorcha de plasmaBola de plasma (a veces llamada esfera de plasma o globo de plasma)Arcos producidos por bobinas de Tesla (transformador de núcleo de aire resonante o bobina disruptora que produce arcos similares a los rayos, pero con corriente alterna en lugar de electricidad estática)Plasmas utilizados en la fabricación de dispositivos semiconductores, incluido el grabado con iones reactivos, la pulverización catódica, la limpieza de superficies y la deposición química de vapor mejorada con plasmaPlasmas producidos por láser (LPP), que se encuentran cuando los láseres de alta potencia interactúan con los materiales.Plasmas acoplados inductivamente (ICP), formados típicamente en gas argón para espectroscopia de emisión óptica o espectrometría de masasPlasmas inducidos magnéticamente (MIP), normalmente producidos utilizando microondas como método de acoplamiento resonanteChispas eléctricas estáticasPlasmas acoplados capacitivamente (CCP)Descargas de barrera dieléctrica (DBD)	RelámpagoLa magnetosfera contiene plasma en el entorno espacial que rodea a la Tierra.la ionosferaLa plasmasferalas auroras polaresEl viento polar, una fuente de plasmaRelámpagos en la atmósfera superior (por ejemplo, chorros azules, arrancadores azules, chorros gigantes, ELVES)duendesFuego de San TelmoFuego (si está lo suficientemente caliente)	Estrellas (plasmas calentados por fusión nuclear)el viento solarEl medio interplanetario (espacio entre planetas)El medio interestelar (espacio entre sistemas estelares)El medio intergaláctico (espacio entre galaxias)El tubo de flujo Io-Júpiterdiscos de acreciónnebulosas interestelares

Espacio y astrofísica

Los plasmas son, con mucho, la fase más común de la materia ordinaria en el universo, tanto en masa como en volumen.

Sobre la superficie de la Tierra, la ionosfera es un plasma y la magnetosfera contiene plasma. Dentro de nuestro Sistema Solar, el espacio interplanetario está lleno del plasma expulsado a través del viento solar, que se extiende desde la superficie del Sol hasta la heliopausa. Además, todas las estrellas distantes y gran parte del espacio interestelar o intergaláctico probablemente también estén llenos de plasma, aunque en densidades muy bajas. Los plasmas astrofísicos también se observan en discos de acreción alrededor de estrellas u objetos compactos como enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros en sistemas estelares binarios cercanos. El plasma está asociado con la eyección de material en los chorros astrofísicos, que se han observado con la acumulación de agujeros negros o en galaxias activas como el chorro de M87 que posiblemente se extiende hasta 5.000 años luz.

Plasmas artificiales

La mayoría de los plasmas artificiales se generan mediante la aplicación de campos eléctricos y/o magnéticos a través de un gas. El plasma generado en un entorno de laboratorio y para uso industrial generalmente se puede clasificar por:

El tipo de fuente de alimentación utilizada para generar el plasma: CC, CA (normalmente con radiofrecuencia (RF)) y microondas
La presión a la que operan: presión de vacío (< 10 mTorr o 1 Pa), presión moderada (≈1 Torr o 100 Pa), presión atmosférica (760 Torr o 100 kPa)
El grado de ionización dentro del plasma: total, parcial o débilmente ionizado
Las relaciones de temperatura dentro del plasma: plasma térmico ( $T_e = T_i = T_{gas}$ ), plasma no térmico o "frío" ( $T_e \gg T_i = T_{gas}$ )
La configuración de electrodos utilizada para generar el plasma.
La magnetización de las partículas dentro del plasma: magnetizadas (tanto los iones como los electrones quedan atrapados en las órbitas de Larmor por el campo magnético), parcialmente magnetizadas (los electrones, pero no los iones, quedan atrapados en el campo magnético), no magnetizadas (el campo magnético es demasiado débil para atrapar las partículas en órbitas pero puede generar fuerzas de Lorentz)

Generación de plasma artificial

Al igual que los muchos usos del plasma, existen varios medios para su generación. Sin embargo, un principio es común a todos ellos: debe haber un aporte de energía para producirlo y mantenerlo. Para este caso, el plasma se genera cuando se aplica una corriente eléctrica a través de un gas o fluido dieléctrico (un material eléctricamente no conductor) como se puede ver en la imagen adyacente, que muestra un tubo de descarga como un ejemplo simple (se usa DC por simplicidad). ).

La diferencia de potencial y el campo eléctrico subsiguiente tiran de los electrones enlazados (negativos) hacia el ánodo (electrodo positivo) mientras que el cátodo (electrodo negativo) tira del núcleo.A medida que aumenta el voltaje, la corriente tensiona el material (por polarización eléctrica) más allá de su límite dieléctrico (denominado fuerza) en una etapa de ruptura eléctrica, marcada por una chispa eléctrica, donde el material se transforma de aislante a conductor (como se vuelve cada vez más ionizado). El proceso subyacente es la avalancha de Townsend, donde las colisiones entre electrones y átomos de gases neutros crean más iones y electrones (como se puede ver en la figura de la derecha). El primer impacto de un electrón en un átomo da como resultado un ion y dos electrones. Por lo tanto, el número de partículas cargadas aumenta rápidamente (en millones) solo "después de unas 20 series sucesivas de colisiones", principalmente debido a un pequeño camino libre medio (distancia media recorrida entre colisiones).

Arco eléctrico

Con una amplia densidad de corriente e ionización, esto forma un arco eléctrico luminoso (una descarga eléctrica continua similar a un rayo) entre los electrodos. La resistencia eléctrica a lo largo del arco eléctrico continuo crea calor, que disocia más moléculas de gas e ioniza los átomos resultantes (donde el grado de ionización está determinado por la temperatura), y según la secuencia: sólido-líquido-gas-plasma, el gas se convierte gradualmente en un plasma térmico.Un plasma térmico está en equilibrio térmico, lo que quiere decir que la temperatura es relativamente homogénea en todas las partículas pesadas (es decir, átomos, moléculas e iones) y electrones. Esto es así porque cuando se generan los plasmas térmicos se entrega energía eléctrica a los electrones, los cuales, por su gran movilidad y gran número, son capaces de dispersarla rápidamente y por colisión elástica (sin pérdida de energía) a las partículas pesadas.

Ejemplos de plasma industrial/comercial

Debido a sus rangos considerables de temperatura y densidad, los plasmas encuentran aplicaciones en muchos campos de investigación, tecnología e industria. Por ejemplo, en: metalurgia industrial y extractiva, tratamientos superficiales como aspersión de plasma (recubrimiento), grabado en microelectrónica, corte y soldadura de metales; así como en la limpieza diaria de los gases de escape de los vehículos y las lámparas fluorescentes/luminiscentes, el encendido de combustible, e incluso desempeña un papel en los motores de combustión supersónica para la ingeniería aeroespacial.

Descargas de baja presión

Plasmas de descarga luminiscente : plasmas no térmicos generados por la aplicación de un campo eléctrico de CC o RF de baja frecuencia (<100 kHz) al espacio entre dos electrodos metálicos. Probablemente el plasma más común; este es el tipo de plasma generado dentro de los tubos de luz fluorescente.
Plasma acoplado capacitivamente (CCP) : similar a los plasmas de descarga luminiscente, pero generado con campos eléctricos de RF de alta frecuencia, típicamente 13,56 MHz. Éstas se diferencian de las descargas luminiscentes en que las vainas son mucho menos intensas. Estos son ampliamente utilizados en las industrias de microfabricación y fabricación de circuitos integrados para el grabado con plasma y la deposición química de vapor mejorada con plasma.
Fuente de plasma de arco en cascada : un dispositivo para producir plasmas de alta densidad (HDP) a baja temperatura (≈1eV).
Plasma acoplado inductivamente (ICP) : similar a un CCP y con aplicaciones similares, pero el electrodo consiste en una bobina envuelta alrededor de la cámara donde se forma el plasma.
Plasma calentado por ondas : similar a CCP e ICP en que normalmente es RF (o microondas). Los ejemplos incluyen la descarga de helicones y la resonancia de ciclotrón de electrones (ECR).

Presión atmosférica

Descarga de arco: es una descarga térmica de alta potencia y muy alta temperatura (≈10.000 K). Se puede generar utilizando varias fuentes de alimentación. Es comúnmente utilizado en procesos metalúrgicos. Por ejemplo, se utiliza para fundir minerales que contienen Al ₂ O ₃ para producir aluminio.
Descarga de corona: esta es una descarga no térmica generada por la aplicación de alto voltaje a puntas de electrodos afiladas. Se usa comúnmente en generadores de ozono y precipitadores de partículas.
Descarga de barrera dieléctrica (DBD): esta es una descarga no térmica generada por la aplicación de altos voltajes a través de pequeños espacios en los que un recubrimiento no conductor evita la transición de la descarga de plasma a un arco. A menudo se la etiqueta erróneamente como descarga 'Corona' en la industria y tiene una aplicación similar a las descargas corona. Un uso común de esta descarga es en un actuador de plasma para la reducción de la resistencia del vehículo. También es ampliamente utilizado en el tratamiento de telas en red. La aplicación de la descarga sobre tejidos sintéticos y plásticos funcionaliza la superficie y permite la adherencia de pinturas, colas y materiales similares. La descarga de la barrera dieléctrica se utilizó a mediados de la década de 1990 para demostrar que el plasma a presión atmosférica a baja temperatura es eficaz para inactivar las células bacterianas.Este trabajo y experimentos posteriores con células de mamíferos condujeron al establecimiento de un nuevo campo de investigación conocido como medicina del plasma. La configuración de descarga de barrera dieléctrica también se utilizó en el diseño de chorros de plasma de baja temperatura. Estos chorros de plasma se producen mediante ondas de ionización guiadas de rápida propagación conocidas como balas de plasma.
Descarga capacitiva: se trata de un plasma no térmico generado por la aplicación de potencia de RF (p. ej., 13,56 MHz) a un electrodo alimentado, con un electrodo conectado a tierra mantenido a una pequeña distancia de separación del orden de 1 cm. Tales descargas se estabilizan comúnmente usando un gas noble como helio o argón.
"Plasma piezoeléctrico de descarga directa": es un plasma no térmico generado en el lado alto de un transformador piezoeléctrico (PT). Esta variante de generación es particularmente adecuada para dispositivos compactos y de alta eficiencia donde no se desea una fuente de alimentación de alto voltaje separada.

Convertidores MHD

En la década de 1960 se desencadenó un esfuerzo mundial para estudiar los convertidores magnetohidrodinámicos con el fin de llevar al mercado la conversión de energía MHD con centrales eléctricas comerciales de un nuevo tipo, convirtiendo la energía cinética de un plasma de alta velocidad en electricidad sin partes móviles con una alta eficiencia. También se llevaron a cabo investigaciones en el campo de la aerodinámica supersónica e hipersónica para estudiar la interacción del plasma con los campos magnéticos para finalmente lograr un control de flujo pasivo e incluso activo alrededor de vehículos o proyectiles, con el fin de suavizar y mitigar las ondas de choque, reducir la transferencia térmica y reducir la resistencia.

Dichos gases ionizados utilizados en la "tecnología de plasma" (plasmas "tecnológicos" o "diseñados") suelen ser gases débilmente ionizados en el sentido de que solo una pequeña fracción de las moléculas de gas está ionizada. Estos tipos de gases débilmente ionizados también son plasmas "fríos" no térmicos. En presencia de campos magnéticos, el estudio de tales gases magnetizados no térmicos débilmente ionizados implica magnetohidrodinámica resistiva con un número de Reynolds magnético bajo, un campo desafiante de la física del plasma donde los cálculos requieren tensores diádicos en un espacio de fase de siete dimensiones. Cuando se usa en combinación con un parámetro Hall alto, un valor crítico desencadena la inestabilidad electrotérmica problemática que limitó estos desarrollos tecnológicos.

Fenómenos plasmáticos complejos

Aunque las ecuaciones subyacentes que gobiernan los plasmas son relativamente simples, el comportamiento del plasma es extraordinariamente variado y sutil: la aparición de un comportamiento inesperado a partir de un modelo simple es una característica típica de un sistema complejo. Dichos sistemas se encuentran en cierto sentido en el límite entre el comportamiento ordenado y el desordenado y, por lo general, no pueden describirse ni mediante funciones matemáticas simples y uniformes, ni mediante pura aleatoriedad. La formación espontánea de características espaciales interesantes en una amplia gama de escalas de longitud es una manifestación de la complejidad del plasma. Las características son interesantes, por ejemplo, porque son muy nítidas, espacialmente intermitentes (la distancia entre las características es mucho mayor que las propias características) o tienen una forma fractal. Muchas de estas características se estudiaron primero en el laboratorio,Ejemplos de complejidad y estructuras complejas en plasmas incluyen:

Filamentación

Las estrías o estructuras similares a cuerdas, también conocidas como corrientes de Birkeland, se ven en muchos plasmas, como la bola de plasma, la aurora, los relámpagos, los arcos eléctricos, las erupciones solares y los restos de supernovas. A veces se asocian con densidades de corriente más grandes y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética. (Véase también Pellizco de plasma)

Filamentación también se refiere al autoenfoque de un pulso láser de alta potencia. A altas potencias, la parte no lineal del índice de refracción cobra importancia y provoca un mayor índice de refracción en el centro del rayo láser, donde el láser es más brillante que en los bordes, provocando una retroalimentación que enfoca aún más el láser. El láser de enfoque más estrecho tiene un pico de brillo más alto (irradiación) que forma un plasma. El plasma tiene un índice de refracción inferior a uno y provoca un desenfoque del rayo láser. La interacción del índice de refracción de enfoque y el plasma de desenfoque hace que se forme un largo filamento de plasma que puede tener una longitud de micrómetros a kilómetros.Un aspecto interesante del plasma generado por filamentación es la densidad de iones relativamente baja debido a los efectos de desenfoque de los electrones ionizados. (Ver también Propagación de filamentos)

Plasma impermeable

El plasma impermeable es un tipo de plasma térmico que actúa como un sólido impermeable con respecto al gas o plasma frío y puede ser empujado físicamente. La interacción del gas frío y el plasma térmico fue estudiada brevemente por un grupo dirigido por Hannes Alfvén en las décadas de 1960 y 1970 para sus posibles aplicaciones en el aislamiento del plasma de fusión de las paredes del reactor. Sin embargo, más tarde se descubrió que los campos magnéticos externos en esta configuración podían inducir inestabilidades de torsión en el plasma y, posteriormente, provocar una pérdida de calor inesperadamente alta en las paredes. En 2013, un grupo de científicos de materiales informó que habían generado con éxito plasma impermeable estable sin confinamiento magnético utilizando solo una capa de gas frío de ultra alta presión. Si bien se afirmó que los datos espectroscópicos sobre las características del plasma eran difíciles de obtener debido a la alta presión, el efecto pasivo del plasma en la síntesis de diferentes nanoestructuras sugería claramente el confinamiento efectivo. También demostraron que al mantener la impermeabilidad durante algunas decenas de segundos, la detección de iones en la interfaz plasma-gas podría dar lugar a un fuerte modo secundario de calentamiento (conocido como calentamiento viscoso) que conduce a diferentes cinéticas de reacciones y formación de complejos. nanomateriales

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