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En física, se denomina estado de agregación, o simplemente estado, a una forma en la que pueda existir la materia. Existen muchos estados posibles para la materia ordinaria, algunos muy estudiados y otros tan solo teóricos, pero hay cuatro que se suelen considerar como los cuatro estados fundamentales: sólido, líquido, gas y plasma.

El plasma fue identificado por primera vez por William Crookes en 1879, quien llamó al plasma “materia radiante”, pero como estado de la materia es un concepto que introdujo el químico Irving Langmuir durante la década de 1920.

Se suele entender como una mezcla gaseosa de electrones cargados negativamente e iones con carga positiva, aunque la carga neta de un medio plasmático sea neutra. En este estado, la materia presenta propiedades y desencadena fenómenos que no se dan en sólidos, líquidos o gases, de ahí que se considere como un estado más de la materia.

Tansición entre estados fundamentales de la materia
Tansición entre estados fundamentales de la materia

Características generales

El estado plasmático se consigue por calentamiento de un gas hasta que los electrones tienen suficiente energía para separarse de los núcleos atómicos, formándose así iones y electrones que se pueden desplazar por el plasma y generar corrientes eléctricas en presencia de un campo magnético. Aunque electrones y átomos estén desenlazados, no se pueden considerar como partículas completamente libres, pues siguen manteniendo fuerzas de interacción entre ellas dentro de la masa del plasma.

Cada estado de la materia se diferencia por unas propiedades únicas. El estado sólido tiene un volumen y forma definida. El estado líquido, por el contrario, tiene un volumen definido pero no una forma; el líquido se puede adaptar a la forma de su contenedor, pero no a su volumen. El gas, por su parte, no tiene ni un volumen ni una forma definidos y se puede adaptar tanto a la forma como al volumen de su contenedor.

El plasma comparte ciertas propiedades con los gases, pues es un estado fluido sin forma ni volumen definido, pero tiene propiedades que no se dan en los gases. En concreto, los plasmas, al contener partículas cargadas, conducen la electricidad y reaccionan a los campos magnéticos creando corrientes eléctricas, mientras que la mayoría de gases son aislantes eléctricos.

A diferencia de los otros tres estados fundamentales, el plasma no existe de forma libre en las condiciones de la superficie del planeta Tierra, solo se produce de forma temporal en algunos fenómenos atmosféricos como los rayos, pero se pueden producir de forma artificial mediante calentamiento de un gas o por sometimiento de un gas a un campo electromagnético fuerte hasta provocar la separación de los electrones de los núcleos atómicos. La formación de iones y liberación de electrones también se puede dar por ruptura de enlaces moleculares.

En el Universo, sin embargo, el plasma es el estado más habitual de la materia ordinaria, sin contar con la materia oscura, y es la forma predominante de la materia en estrellas, gases intracúmulos y regiones intergalácticas.

Tipos de plasma

El plasma se forma como consecuencia de la ionización de los átomos que forman un gas. El grado de ionización depende fundamentalmente de la temperatura; a mayor temperatura, mayor grado de ionización.

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En función del grado de ionización se distinguen dos tipos de plasma:

  • Plasmas completamente ionizados: también llamados plasmas calientes. Son plasmas que tienen todas o casi todas sus partículas ionizadas.
  • Plasmas parcialmente ionizados: también llamados plasmas fríos si el grado de ionización es muy bajo, pero no se debe confundir con la temperatura del plasma, la temperatura de un plasma frío puede ser muy elevada. Existen gases que con un grado de ionización de tan solo un 1% pueden presentar características de plasma.

Los plasmas parcialmente ionizados son los que se pueden ver en los rayos de tormentas y plasmas artificiales como luces de neón o televisores de plasma. Los plasmas calientes necesitan condiciones que difícilmente se pueden dar en la Tierra, pero son muy abundantes en estrellas, por ejemplo el interior del Sol y la corona solar están en estado de plasma caliente completamente ionizado.

Rayos (Oradea, Rumanía)
Los rayos se forman por un plasma parcialmente ionizado

Otra clasificación distingue plasmas térmicos y plasmas no térmicos. En los plasmas térmicos, todas las partículas que lo forman están en equilibrio térmico, mientras que en los plasmas no térmicos los electrones están a una temperatura muy superior que el resto de partículas (iones y partículas neutras del plasma pueden estar incluso a temperatura ambiente).

Fenómenos asociados al plasma

La respuesta de los plasmas a los campos electromagénticos da lugar a diversos fenómenos, como la filamentación o la estratificación, que suelen presentar características complejas como formas fractales. Algunos de los fenómenos más habituales son:

  • Filamentación: formación de estructuras en forma de filamentos conocidas como corrientes de Birkeland. Se deben al desplazamiento de partículas cargadas a lo largo de las líneas de un campo magnético. Se pueden observar fácilmente en las lámparas de plasma o en los rayos.
  • Plasmas no neutros: la buena conductividad de los plasmas hace que la densidad de partículas positivas y negativas se distribuya de forma homogénea, de ahí que los plasmas sean neutros o casi neutros en cualquier región. Pero existen plasmas con exceso de carga positiva o negativa que no son neutros. El caso más extremo son plasmas formados por una sola especie química; por ejemplo, los chorros de partículas cargadas, nubes de electrones o plasmas de positrones.
  • Plasmas de polvo: los plasmas de polvo son plasmas que contienen partículas cargadas en suspensión con tamaños de milímetro (10-3 m) a nanómetro (10-9 m). Debido a su complejidad de comportamiento, los plasmas de polvo también se conocen como plasmas complejos.
  • Plasmas impermeables: son plasmas térmicos que son impermeables para otros gases y otros plasmas fríos o parcialmente ionizados.
Lámpara de plasma
Filamentación en una lámpara de plasma

Ejemplos de aplicaciones

Los plasmas artificiales se crean por aplicación de campos eléctricos y magnéticos a un gas. De esta forma se pueden crear plasmas parcialmente ionizados que se utilizan en numerosas aplicaciones, tanto industriales como domésticas.

Los plasmas son tan comunes como las luces de neón, las lámparas fluorescentes, las pantallas de plasma, los láseres de gas o las lámparas de plasma utilizadas como decoración. Otras aplicaciones menos cotidianas incluyen la fusión termonuclear controlada o la propulsión iónica.

Propulsor xeno iónico
Propulsor de xenon iónico durante pruebas en el NASA’s Jet Propulsion Laboratory

El plasma en el Universo

Se estima que el 99% de la materia ordinaria en el Universo observable se encuentra en estado de plasma, aunque se estima que el 90% de la materia que compone el Universo es materia oscura, un tipo de materia cuyas propiedades y estados son aún desconocidos.

Las estrellas, chorros estelares, chorros extragalácticos y el propio medio interestelar son ejemplos de plasmas en el Universo. En el Sistema Solar, el Sol y el espacio interplanetario consisten en plasma, así como la magnetosfera de la Tierra o la ionosfera de cometas y algunos satélites planetarios.

Nebulosa de Orión
Nebulosa de Orión

No obstante, muchos de estos plasmas son extremadamente tenues y presentan densidades incluso menores a las que se consiguen en las “condiciones de vacío” de laboratorios terrestres. Por ejemplo, la mayor densidad en la magnetosfera es de aproximadamente 1000 partículas por centímetro cúbico, pudiendo llegar a tan solo 1 partícula por cm3 en las partes menos densas. Otros plasmas, por ejemplo en las estrellas, pueden tener una densidad mucho mayor y alcanzar temperaturas de millones de grados Celsius.

Referencias

  1. D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee (2005). Introduction to Plasma Physics With Space and Laboratory Applications. Cambridge University Press.
  2. Bittencourt, J.A. (2004). Fundamentals of plasma physics. Springer.

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