Estado Plasma

Estado Plasma

El plasma es el cuarto estado de la materia.

Un plasma es un gas que se ha energizado (se le ha dado energía) hasta llegar al punto de que algunos de los electrones se liberan de los átomos que forman el gas pero siguen conviviendo juntos (los electrones liberados y los átomos).

Los átomos que perdieron los electrones ahora se han convertido en iones.

Muchos sitios enseñan que hay tres estados de la materia; sólido, líquido y gas, pero en realidad hay cuatro.

El cuarto es el plasma.

El menos conocido de los cuatro estados de la materia es también, paradójicamente, el más extendido: el 99,99% del universo visible está en estado de plasma.

Las estrellas, los bordes de los relámpagos, la ionosfera de la Tierra y el Sol tienen sus materiales principalmente en estado de plasma.

Cuando un material o cualquier tipo de materia se encuentra en este estado se dice que está en estado de Plasma.

El Plasma consiste en una colección de electrones e Iones que se mueven libremente dentro de la materia.

Es un gas ionizado, es decir, un gas que sus átomo se convierten en iones positivos al ser liberados de ellos algunos de sus electrones.

Fíjate en la imagen anterior, el estado de plasma tiene iones positivos y electrones libres.

Mientras que en los otros tres estados de la materia (sólido, líquido y gas) el núcleo y los electrones de los átomos están estrechamente unidos, dejan de estarlo en un plasma.

Al cambiar de naturaleza, el gas «ionizado» (otro nombre para el plasma) cambia radicalmente sus propiedades, como luego veremos.

Si no entiendes esto será mejor que leas el apartado siguiente, donde vamos a explicarlo detalladamente.

De Átomo a Plasma

Recuerda: Los átomos están compuestos de protones (con carga positiva), electrones (con carga negativa y girando alrededor del núcleo) y neutrones (sin carga eléctrica).

En su estado normal, el átomo tiene el mismo número de protones que de electrones y como además, los protones y electrones tienen la misma carga eléctrica, pero de sentido contrario, el átomo en estado normal tiene carga cero.

La carga negativa de los electrones se anula con la positiva de los protones.

Si a un átomo le robo un electrón, al tener una carga negativa menos, se convierte en un átomo con carga positiva, también llamado ión positivo.

Ahora tendrá un protón más que el número de electrones.

Tenemos por un lado un electrón con carga negativa y por otro un ión (antiguo átomo) con carga positiva. Lógicamente si le libero o robo dos electrones el ión será más positivo.

A veces la materia está formado por átomos unidos llamados moléculas, estas moléculas también pueden ser ionizadas (convertidas en iones).

Imagina un material en estado gaseoso. Ahora le añadimos calor (u otra fuente de energía,  por ejemplo radiación electromagnética como microondas o láser ).

Si seguimos aumentando este calor, llega un momento que algunos electrones se liberan de la unión que tienen con sus átomos.

Estos átomos se convierten en iones positivos (pierden carga negativa por los electrones perdidos y ya no son neutros).

En este estado del material están conviviendo iones positivos por un lado y electrones por otro sin vínculo de unión, pero todos juntos, y formando el estado de la materia llamado Plasma.

Dicho esto y para decirlo muy simplemente, un plasma es un gas ionizado, un gas en el que se proporciona energía suficiente (energizado) para librar a los electrones del vinculo que les une con sus átomos o moléculas pero conviviendo juntos, los iones formados y los electrones liberados.

No es necesario que todo el gas este ionizado, si hay una parte ionizada esa parte será plasma.

OJO, si cesa el aporte de energía, las cargas + y – se recombinan y el plasma se extingue rápidamente.

Un ejemplo: En el gas de neón, los electrones están ligados al núcleo. En el plasma de neón, los electrones son libres de moverse alrededor del sistema.

Plasma Gaseoso

No existe algo como el Plasma Gaseoso o Gas Plasma.

Los plasmas y los gases son dos fases diferentes de la materia.

Las 4 fases de la materia son sólido, líquido, gas y plasma.

¿Y entonces….?

Debido a que el gas y el plasma están estrechamente relacionados y a que rara vez se menciona al plasma cuando se habla de las fases de la materia, no es difícil entender la razón de la confusión.

El gas se convierte en plasma cuando se le suministra calor u otra forma de energía.

Los átomos del gas comienzan a perder sus electrones y se convierten en iones cargados positivamente.

Los electrones desprendidos pueden moverse libremente.

A este proceso se le conoce como ionización.

Cuando una porción significativa del gas se ha ionizado, las características eléctricas de la sustancia cambian drásticamente y es este estado el que se conoce como plasma.

Plasma Gaseoso = Gas plasma =  gas parcialmente ionizado

El grado de ionización es una medida de la proporción de átomos que han perdido un electrón.

Las características de los plasmas pueden variar en función del porcentaje de gas que se ha ionizado.

Si el gas parcialmente ionizado o «gas plasma» tiene una densidad de plasma (número de electrones libres por unidad de volumen) extremadamente baja, la sustancia continuará comportándose como gas.

Pero cuando el grado de ionización apenas ha alcanzado el 1 %, la sustancia desarrolla nuevas características, como alta conductividad y respuesta elevada a campos magnéticos.

En el campo de la tecnología de plasma hay máquinas llamadas generadores de plasma que forman plasmas que generalmente están sólo parcialmente ionizados pero cuyo grado de ionización puede modificarse para producir las características deseadas.

Puesto que incluso los gases débilmente ionizados se comportan como plasmas, el término » gas plasma » no es realmente importante.

No hay distinción en cuanto al grado de ionización que se requiere para que a un gas se le llame plasma.

Puede llamarse plasma a cualquier gas parcialmente ionizado, por lo que el término «plasma gaseoso» es innecesario.

Plasma Características

El estado de plasma, a menudo, se considera como un subconjunto del estado gaseoso, pero los dos estados se comportan de manera muy diferente.

Como los gases, los plasmas no tienen forma fija ni volumen fijos y son menos densos que los sólidos o líquidos, pero a diferencia de los gases, los plasmas se componen de átomos en el que todos o algunos de sus electrones se han liberado de sus átomos y los iones cargados positivamente y los electrones deambulan libremente.

El plasma es un gas cargado eléctricamente.

Un gas típico, tal como nitrógeno o sulfuro de hidrógeno, que está hecho de moléculas que tienen una carga eléctrica total de cero, dando el volumen de gas en su conjunto una carga eléctrica total neta de cero.

En cualquier parte de ese gas será así, la carga eléctrica es cero y cada una de sus partículas (átomos) tendrá carga cero.

Las partículas del gas no interactúan prácticamente entre sí.

Un plasma, que se hace de partículas cargadas, tiene una carga neta de cero a lo largo de todo su volumen pero no a nivel de las partículas individuales.

Las partículas individuales (electrones e iones) tienen carga eléctrica y por eso están fuertemente influenciadas por campos eléctricos y magnéticos externos, cosa que no se ve en otros estados de la materia.

Además sus partículas pueden interactuar entre sí, incluso formando campos eléctricos y/o magnéticos dentro de la propia materia (carga positiva con carga negativa forman un campo eléctrico).

El plasma al estar hecho de partículas cargadas puede hacer cosas que los gases no pueden, por ejemplo ser conductores de la electricidad.

Además puesto que las cargas están en movimiento y cargadas si se le somete a campos eléctricos o magnéticos externos (por ejemplo el campo magnético de la Tierra o el campo magnético interplanetario), este se verá influenciado por estos campos.

Resumiendo:

– El plasma contiene partículas cargadas permanentemente en comparación a los gases.

– El plasma puede conducir la electricidad mejor que los gases.

– Dado que el plasma contiene partículas cargadas, responden a campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos externos mejor que los gases.

– El movimiento de los electrones y los iones en el plasma produce sus propios campos eléctricos y magnéticos.

– Debido al estado totalmente caótico y altamente energético de las partículas constituyentes del plasma, produce su propia radiación electromagnética.

Tipos de Plasmas

Cuando clasificamos los diferentes tipos de plasma, solemos hacerlo en función de su densidad de electrones y de su temperatura.

La densidad de electrones mide la cantidad de electrones (y de iones positivos) que hay en un centímetro cúbico del plasma.

Es una medida que nos dice el grado de ionización del plasma.

En cuanto a su temperatura tenemos plasmas fríos y calientes.

Los plasmas no térmicos o fríos tiene sólo una pequeña fracción de sus átomos ionizados (baja densidad de electrones).

Ejemplos de plasma frío incluyen las lámparas fluorescentes y las señales de neón.

Los plasmas fríos son los que se hacen en la industria y a bajas temperaturas, normalmente a temperatura ambiente.

Los plasmas calientes son creados por el calentamiento de un gas hasta que los electrones tienen energía suficiente para liberarse de los átomos, un ejemplo es el sol.

Este tipo de plasma es el que se asocia a la astronomía o astrofísica, se consigue con altas temperaturas y tienen una alto grado de densidad de electrones, incluso el 100% de ionización.

Un plasma se refiere a veces como “caliente” si está casi completamente ionizado, o “frío” si sólo una pequeña fracción (por ejemplo 1%).

Fíjate en la siguiente imagen donde aparecen los tipos de plasma con su temperatura y densidad:

Ejemplos de Estado de Plasma

Veamos 10 ejemplos e estado de plasma:

– Un relámpago.

– Las auroras boreales.

– El gas excitado a baja presión dentro de las señales de neón y los tubos fluorescentes.

– El viento solar.

– Los arcos de soldadura.

– La ionosfera de la Tierra.

– Las estrellas (incluyendo el Sol).

– La cola de un cometa.

– Las nubes de gas interestelar.

– Una bola de fuego producida en una explosión nuclear.

No podemos olvidarnos de las famosas televisiones de plasma, formadas por múltiples y diminutas celdas que se sitúan entre dos paneles de cristal compuestos por una mezcla de gases (neón y/o xenón).

Estos gases, producto de la electricidad, se convierte en plasma que, a su vez, emite luz.

Funcionamiento: Se aplica electricidad al neón y xenón para producir luz ultravioleta y para iluminar un fósforo.

Cuando el neón y xenón obtienen una chispa, pasan de gas a plasma.

En un plasma, con una corriente eléctrica que lo atraviesa, las partículas cargadas negativamente  se precipitan hacia la zona cargada positivamente del plasma, y ​​las partículas cargadas positivamente se precipitan hacia la zona de carga negativa.

En esta loca carrera, las partículas colisionan constantemente entre sí.

Estas colisiones excitan los átomos de gas (fosforo) en el plasma, haciendo que se libere fotones de energía.

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