Plasma: definición, propiedades y aplicaciones del cuarto estado de la materia

El plasma es un cuarto estado de la materia, distinto de los sólidos, líquidos y gases. Se trata de un conjunto de partículas cargadas (electrones e iones) que, por su carga, presentan comportamientos colectivos dominados por fuerzas eléctricas y magnéticas. A grandes rasgos, un plasma se caracteriza por su quasineutralidad (hay casi tantas cargas positivas como negativas a gran escala), por la existencia de longitudes características como la longitud de Debye y por fenómenos colectivos (ondas de plasma, oscilaciones y corrientes autoorganizadas).

El plasma se crea añadiendo energía a un gas para que algunos de sus electrones abandonen sus átomos. Esto se llama ionización. El resultado son electrones con carga negativa e iones con carga positiva. A diferencia de los demás estados de la materia, las partículas cargadas de un plasma reaccionan fuertemente a los campos eléctricos y magnéticos (es decir, a los campos electromagnéticos). Si un plasma pierde calor, los iones volverán a formarse en un gas, emitiendo la energía que había provocado su ionización en forma de radiación (luz de colores concretos según los elementos presentes).

Se cree que más del 99% de la materia del universo visible está en estado de plasma: las estrellas (incluido el Sol), el viento solar, las nebulosas, el medio interestelar y muchas regiones del espacio están dominadas por plasmas. En la Tierra también hay plasmas naturales: los rayos producen plasma muy caliente y las auroras son el resultado de interacciones de plasmas con el campo magnético terrestre.

Cuando los átomos de un gas se rompen, los trozos se llaman electrones e iones. Como tienen carga eléctrica, los campos eléctricos y magnéticos los juntan o separan, provocando movimientos y estructuras que no aparecen en un gas neutro. Esto hace que un plasma actúe de forma diferente a un gas: por ejemplo, los campos magnéticos pueden utilizarse para confinar o guiar un plasma (magnetic confinement), algo imposible con un gas neutro. El plasma puede ser un excelente conductor eléctrico: bajo ciertas condiciones su conductividad es comparable o incluso superior a la de metales como el cobre, aunque depende de la densidad y la temperatura del plasma.

El plasma suele estar muy caliente, porque se necesitan temperaturas muy altas para separar electrones de los núcleos atómicos. Existen también plasmas fríos o no térmicos, en los que los electrones están muy energéticos pero los iones y neutrales permanecen relativamente fríos; estos últimos son útiles para aplicaciones tecnológicas. A veces los plasmas pueden tener una presión muy alta, como en las estrellas, y otras veces una presión muy baja, como en el espacio exterior. La temperatura, densidad y grado de ionización son parámetros clave que determinan el comportamiento del plasma.

En la Tierra se aprovechan plasmas para muchas aplicaciones prácticas y de investigación. Entre los usos artificiales (hechos por el hombre) del plasma se encuentran las bombillas fluorescentes, los carteles de neón y las pantallas de plasma utilizadas para la televisión o el ordenador, así como las lámparas y globos de plasma que son un juguete popular entre los niños y la decoración de sus habitaciones. Los científicos están experimentando con el plasma para crear un nuevo tipo de energía nuclear, llamada fusión, que sería mucho mejor y más segura que la energía nuclear ordinaria, y produciría muchos menos residuos radiactivos...

Otras aplicaciones importantes incluyen:

  • • Fabricación de semiconductores: plasma etching y deposición para tallar y recubrir microestructuras.
  • • Corte y soldadura por plasma en la industria metalúrgica.
  • • Propulsión espacial: motores iónicos y Hall thrusters usan plasmas para generar empuje eficiente.
  • • Tratamiento de superficies: limpieza, activación y recubrimiento mediante plasmas fríos.
  • • Medicina y desinfección: uso de plasmas fríos para esterilizar y promover la cicatrización en ciertas investigaciones.
  • • Investigación de fusión: tokamaks, stellarators y sistemas de confinamiento magnético e inercial para intentar generar energía por fusión controlada (p. ej. proyectos como ITER).
  • • Espectroscopía y diagnóstico: la luz emitida por plasmas permite identificar elementos y condiciones físicas en estrellas y laboratorios.

Conceptos básicos útiles al estudiar plasmas:

  • • Longitud de Debye: distancia a la que se neutraliza el efecto de una carga por la redistribución de otras cargas.
  • • Frecuencia de plasma: frecuencia natural de oscilación de los electrones frente a los iones.
  • • Regímenes: plasmas térmicos (electrones e iones en equilibrio térmico) y no térmicos (electrones muy energéticos frente a iones fríos).
  • • Modelos: desde ecuaciones de fluidos magnetohidrodinámicas (MHD) hasta descripciones cinéticas (ecuación de Vlasov) dependiendo de la escala y la colisión entre partículas.

Precauciones y retos: los plasmas pueden emitir radiación (UV, rayos X en casos energéticos), alcanzar temperaturas extremadamente altas y requerir campos magnéticos o tensiones elevadas para su control. En fusión y otras aplicaciones de alta energía, los materiales y la contención son desafíos técnicos importantes.

En resumen, el plasma es un estado de la materia con comportamiento dominado por cargas eléctricas y campos electromagnéticos, presente desde las estrellas hasta muchas tecnologías modernas. Su estudio combina física, ingeniería y aplicaciones prácticas con un gran potencial para el futuro energético y tecnológico.

Una lámpara de plasma, que muestra algunas de las cosas más complejas que puede hacer un plasma. Los colores provienen del gas de la lámpara. Cada tipo de gas produce un color diferenteZoom
Una lámpara de plasma, que muestra algunas de las cosas más complejas que puede hacer un plasma. Los colores provienen del gas de la lámpara. Cada tipo de gas produce un color diferente

Los tubos llenos de gas suelen contener plasma. Este muestra el neón. El color del tubo da una pista sobre el gas que hay en su interiorZoom
Los tubos llenos de gas suelen contener plasma. Este muestra el neón. El color del tubo da una pista sobre el gas que hay en su interior

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Otros sitios web útiles

  • Plasmas: el cuarto estado de la materia
  • Ciencia y tecnología del plasma
  • Plasma en Internet lista completa de enlaces relacionados con el plasma.
  • Introducción a la Física del Plasma: Curso de posgrado impartido por Richard Fitzpatrick | M.I.T. Introducción de I.H.Hutchinson
  • Página de la Coalición del Plasma
  • Interacción del material de plasma
  • Cómo hacer una bola de plasma brillante en tu microondas con una uva | Más (Vídeo)
  • Cómo hacer plasma en el microondas con una sola cerilla (vídeo)
  • Proyecto de investigación del Departamento de Agricultura de EE.UU. "Descontaminación de productos frescos con plasma frío"
  • (en francés) CNRS LAEPT "Plasmas térmicos de arco eléctrico
  • "Fases de la materia". NASA. Recuperado el 2011-05-04.

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Gas - Líquido - Plasma - Sólido

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es el plasma?


R: El plasma es un 4º estado de la materia que se crea al añadir energía a un gas para que algunos de sus electrones abandonen sus átomos. Este proceso se denomina ionización y da lugar a electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente.

P: ¿Cómo reacciona el plasma a los campos eléctricos y magnéticos?


R: Las partículas cargadas de un plasma reaccionan fuertemente a los campos eléctricos y magnéticos (es decir, a los campos electromagnéticos).

P: ¿Qué ocurre cuando un plasma pierde calor?


R: Cuando un plasma pierde calor, los iones se vuelven a formar en un gas, emitiendo la energía que había provocado su ionización.

P: ¿Qué porcentaje de la materia del universo visible se cree que es plasma?


R: Se cree que más del 99% de la materia del universo visible es plasma.

P: ¿Cómo pueden utilizarse los campos magnéticos con los plasmas?


R: Los campos magnéticos pueden utilizarse para retener un plasma, pero no para retener un gas.

P: ¿Es el plasma mejor que el cobre como conductor eléctrico?


R: Sí, el plasma suele ser mejor que el cobre como conductor eléctrico.

P: ¿Cuáles son algunos usos artificiales de los plasmas en la Tierra?


R: Los usos artificiales (hechos por el hombre) de los plasmas en la Tierra incluyen las bombillas fluorescentes, los letreros de neón y las pantallas de plasma utilizadas para la televisión o las pantallas de ordenador. Las lámparas y globos de plasma son también populares juguetes infantiles y decoraciones de habitaciones.

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