Plasma (estado de la materia) para niños
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En física y química, el plasma es el cuarto estado de agregación de la materia. Es un estado parecido al gas, pero con una diferencia clave: algunas de sus partículas tienen una carga eléctrica (están ionizadas). Esto significa que el plasma es un buen conductor eléctrico y reacciona fuertemente a las fuerzas eléctricas y magnéticas. En resumen, el plasma es como un gas con partículas cargadas.
El plasma tiene características únicas que no se encuentran en los sólidos, líquidos o gases. Al igual que un gas, el plasma no tiene una forma o volumen fijo, a menos que esté dentro de un recipiente. Cuando está bajo la influencia de un campo magnético, el plasma puede formar estructuras interesantes como filamentos o rayos. Si calientas un gas a temperaturas muy altas, sus átomos se mueven tan rápido que, al chocar, pierden algunos de sus electrones. Así es como se forma el plasma.
El plasma es el estado de la materia más común en el Universo. La mayor parte de la materia que podemos ver, como las estrellas, está en estado de plasma. También se encuentra en el espacio entre las estrellas y las galaxias.
Contenido
Descubrimiento del plasma
El plasma fue observado por primera vez en un laboratorio por sir William Crookes en 1879. Él lo llamó "materia radiante". Sin embargo, los estudios más detallados del plasma comenzaron en la década de 1920 gracias a Irving Langmuir y sus colaboradores.
Langmuir fue quien usó por primera vez la palabra "plasma" para describir este gas ionizado en 1928. Él notó que, en ciertas áreas, el gas ionizado contenía iones y electrones en cantidades casi iguales, como si fuera un fluido que transporta diferentes elementos.
¿Qué es el plasma?
El cuarto estado de la materia
El plasma es el cuarto estado de la materia, después del sólido, el líquido y el gas. En este estado, una sustancia ionizada se vuelve muy buena conductora de la electricidad. Esto hace que los campos eléctricos y magnéticos influyan mucho en su comportamiento.
Un plasma suele ser "cuasineutral", lo que significa que tiene casi la misma cantidad de partículas positivas y negativas. Aunque estas partículas no están unidas, no son completamente "libres". Las partículas cargadas en movimiento crean corrientes eléctricas, y el movimiento de una partícula de plasma afecta y es afectado por los campos creados por otras cargas. Esto hace que el plasma tenga un comportamiento colectivo muy variado.
El plasma es diferente de los otros estados de la materia. Aunque se parece a un gas porque no tiene forma ni volumen definidos, no es solo un "gas ionizado". Aquí te mostramos algunas diferencias importantes:
| Característica | Gas | Plasma |
|---|---|---|
| Interacciones | Individuales: Las partículas chocan principalmente de dos en dos. | Colectivas: Las ondas y el movimiento organizado son muy importantes. Las partículas interactúan a grandes distancias por fuerzas eléctricas y magnéticas. |
| Resistividad y conductividad eléctrica | Muy baja: Los gases son aislantes, no conducen bien la electricidad. | Muy alta: El plasma conduce muy bien la electricidad. |
| Tipos de partículas | Uno: Todas las partículas se comportan de forma similar. | Dos o más: Los electrones (negativos) y los iones (positivos) tienen cargas y masas diferentes, por lo que se comportan de forma distinta. |
| Velocidad de las partículas | Normalmente uniforme: Las colisiones hacen que las velocidades de las partículas sean similares. | A menudo variada: Las interacciones son más débiles en plasmas calientes, y las fuerzas externas pueden cambiar las velocidades. |
Plasma polvoriento
Un plasma polvoriento contiene pequeñas partículas de polvo que tienen carga eléctrica. Estas partículas suelen encontrarse en el espacio y pueden interactuar entre sí. Cuando las partículas son más grandes, se le llama plasma de grano.
Ejemplos de plasma en la vida y el espacio
El plasma se encuentra en muchos lugares, tanto creados por el ser humano como en la naturaleza:
| Producidos por el ser humano | Plasmas en la Tierra | Plasmas en el espacio y el Universo: |
|---|---|---|
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Usos del plasma
El estudio del plasma tiene muchas aplicaciones prácticas:
- Se usa en las descargas de gas, como en las luces fluorescentes.
- Es un componente clave en los reactores de fusión nuclear, que buscan generar energía de forma limpia. El plasma puede crear su propio campo magnético cuando alcanza temperaturas muy altas.
Características del plasma
Para entender cómo se comporta el plasma, los científicos usan varios parámetros importantes:
Neutralidad y partículas
El plasma suele tener un número igual de cargas positivas y negativas, lo que hace que su carga total sea casi cero. A esto se le llama plasma neutro o cuasi-neutro. También existen plasmas no neutros, como los haces de electrones en un acelerador de partículas, pero necesitan algo externo para mantenerlos unidos.
Los plasmas más comunes están formados por electrones (cargas negativas) e iones (átomos o moléculas con carga positiva o negativa).
Longitudes y frecuencias
La longitud de Debye es una medida de qué tan lejos pueden influir las cargas eléctricas en un plasma. También existe la frecuencia de plasma, que describe la rapidez con la que las partículas de plasma pueden oscilar si se les perturba. Por ejemplo, si los electrones se mueven un poco, los iones los atraen de vuelta, y los electrones empiezan a oscilar. La frecuencia de esta oscilación es la frecuencia de plasma.
La frecuencia de plasma de los electrones se calcula con esta fórmula:
Donde 
es la masa del electrón y 
su carga.
Temperatura y velocidad
Las partículas en un plasma no tienen todas la misma velocidad. Su velocidad varía, y esta variación se describe con la temperatura. Cuanto más alta es la temperatura, más rápido se mueven las partículas. Una forma de medir esta velocidad es la velocidad térmica.
La velocidad térmica de los electrones es:
El parámetro de plasma
El parámetro de plasma (
) nos dice cuántas partículas hay en una pequeña esfera alrededor de una partícula, cuyo radio es la longitud de Debye. Para que algo se considere plasma, este número debe ser grande. Esto significa que las interacciones eléctricas a larga distancia son más importantes que las interacciones con los vecinos más cercanos.
El parámetro de plasma de los electrones es:
Cómo se estudia el plasma
Los científicos usan diferentes modelos para estudiar el plasma, dependiendo de lo que quieran analizar. Estos modelos van desde los muy detallados, que describen cada partícula, hasta los más generales, que tratan el plasma como un fluido.
Todos los modelos de plasma están conectados a las ecuaciones de Maxwell, que explican cómo los campos eléctricos y magnéticos se crean a partir de las cargas y corrientes en el plasma.
Modelos detallados (discretos)
El modelo más detallado es describir el movimiento de cada partícula individualmente. Esto es muy complejo, pero se simplifica usando modelos llamados Particle-In-Cell (PIC). En estos modelos, el espacio se divide en pequeñas celdas. Se calcula la carga y la velocidad media en cada celda para determinar los campos eléctricos y magnéticos. Luego, se calcula la fuerza sobre cada partícula y se actualiza su posición. Estos modelos son útiles para plasmas muy calientes.
Modelos cinéticos
Cuando hay muchísimas partículas, es mejor usar un modelo que describa la distribución de las partículas en lugar de cada una por separado. Esto se hace con la ecuación de Boltzmann. Si las colisiones entre partículas son mínimas, se usa una versión más simple llamada Ecuación de Vlásov. Estos modelos son la base para estudiar plasmas calientes.
Modelos de fluidos
Para plasmas a bajas temperaturas, donde los procesos son más lentos que la velocidad de las partículas, se puede simplificar el modelo y tratar el plasma como un fluido. Se usan ecuaciones de fluidos, como las ecuaciones de Navier-Stokes. A veces, estas ecuaciones son muy complejas y se necesitan más simplificaciones.
Ver también
- Estado de agregación de la materia
- Corte por plasma
- Lámpara de plasma
- Sólido
- Líquido
- Gas
Galería de imágenes
Véase también
En inglés: Plasma (physics) Facts for Kids
