Plasma eléctrico. El estado fundamental de la materia

El plasma, cuarto estado de la materia, es un estado fluido similar al gaseoso pero en el que sus partículas presentan carga eléctrica y no poseen equilibrio electromagnético, de ahí que sea un excelente conductor eléctrico. Sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance.

Cuando uno o más de los electrones exteriores (valencia) son arrancados del átomo, decimos que el átomo pasa a estar “ionizado”. Es cuando muestra una carga eléctrica neta positiva, y es denominado “ión positivo” (catión). Por otro lado, si se añade al átomo neutro un electrón extra, entonces esta combinación porta una carga eléctrica neta negativa y nos referimos a ello como un “ión negativo” (anión). Las fuerzas eléctricas entre iones de signo opuesto son 39 órdenes de magnitud más fuertes que la fuerza de la gravedad.

Un plasma eléctrico es una nube de iones y electrones que, bajo la excitación de campos aplicados eléctricos y magnéticos, pueden en ocasiones emitir luz y se comportan de formas inusuales.

Lámpara de Plasma

Lámpara de Plasma

El plasma eléctrico. La maquinaria de la creación

El plasma, o cuarto estado de agregación de la materia, está compuesto por partículas cargadas que responden colectivamente a las fuerzas electromagnéticas. Las partículas cargadas constituyen habitualmente nubes o flujos de electrones o iones, o una mezcla de ellos. En ocasiones cierto polvo eléctricamente cargado también muestra un comportamiento de plasma. Los plasmas inactivos, en reposo, no se muestran en el espectro visible pero constituyen más del 99,9% de la materia del universo.

Los plasmas constituyen la nebulosa última a partir de la cual se ha creado el universo visible de las estrellas, los planetas (con sus seres vivientes), las galaxias y las supergalaxias (cúmulos y redes

Cúmulos de galaxias en el espacio ultraprofundo

Cúmulos de galaxias en el espacio ultraprofundo. Las galaxias más tenues son casi 10 mil millones de veces más débiles que las estrellas que vemos a simple vista. Crédito: NASA, Hubble

galácticas). La creación de las estrellas y galaxias se produce a través de eventos a menudo muy energéticos y en ocasiones de carácter explosivo, asociados con descargas eléctricas masivas, liberando la energía almacenada en colosales circuitos de plasma eléctrico estelares, galácticos y supergalácticos. De ahí que el plasma eléctrico sea considerado la auténtica maquinaria de creación del Universo.

Los plasmas son responsables tanto de la condensación como de la redistribución de la materia para formar galaxias, estrellas y planetas a través de fuerzas electromagnéticas. También son increíbles generadores de radiación en todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio hasta los rayos-X o gamma.

La gravedad interviene solamente cuando la materia se ha condensado lo suficiente a partir de su estado de plasma. Incluso entonces, los plasmas electromagnéticos continúan jugando un papel crucial en la formación y reformación de los cuerpos celestes y especialmente en el origen y evolución de la vida. Sin el campo magnético de la Tierra nuestra atmósfera sería destrozada por el viento solar (como así ya sucedió en Marte, según un estudio realizado por la NASA en 2015), de forma que la vida en la Tierra hubiese sido imposible.

Irving Langmuir

Irving Langmuir

El término “plasma” fue acuñado por el ingeniero eléctrico y premio Nobel de química Irving Langmuir (1881-1957) a partir de su estudio de los gases ionizados, adoptando el concepto de la ciencia biomédica (plasma sanguíneo) y aplicándolo al comportamiento similar que presentaban aquellos gases. Langmuir fue también el primero en darse cuenta de la separación o distribución del plasma en estructuras celulares o globulares encerradas en “vainas” cargadas eléctricamente. Esta estructura celular se observa efectivamente allí donde entran en contacto plasmas con diferente densidad, temperatura o fuerza de campo magnético. Además de estas formaciones celulares, el plasma a menudo muestra estructuras filamentosas en su estado más conductivo, cuando el flujo de corriente eléctrica induce un anillo de campo magnético alrededor de la corriente, pinzando o “estrechando” la corriente en largos conductos. Este es el efecto conocido en inglés como “Z-pinch“.

Prácticamente toda la materia del universo existe en estado de plasma, principalmente en nuestro Sol, las estrellas y el espacio intergaláctico. También son plasmas las auroras, tanto boreales como australes (estado luminiscente), los rayos (estado de arco eléctrico) o los arcos fotovoltaicos para soldaduras. Se encuentran también plasma en lo tubos de neón o tubos fluorescentes y en nubes de electrones moviéndose libremente en ciertos rangos de energía dentro de metales cristalinos.

Los plasmas oscilan en un amplio rango de temperatura, desde cientos de miles de electronvoltios (1 eV=8,4 x 10-23 grados Centígrados) hasta 1 centésima de electronvoltio, y densidades desde algo tan tenue como unos pocos electrones por cm3 hasta más densas con 1020 electrones por cm3, excediendo en mucho el rango ordinario de sólidos, líquidos y gases.

Los eventos más dramáticos asociados con los plasmas eléctricos son las descargas eléctricas y, en ocasiones, la repentina y explosiva liberación de la energía eléctrica o magnética almacenada. Se trata de fenómenos locales que involucran procesos tales como el calentamiento, ionización, creación de conductos eléctricos filamentosos pinzados (por campos magnéticos), aceleración de partículas y generación de cantidades extraordinarias de radiación electromagnética. Para poder comprender las increíbles dimensiones y poder de estos procesos, una buena analogía podría ser un generador de energía pulsada en la Tierra, de millones de vatios de potencia, que dependa de fuertes descargas eléctricas para producir intensos rayos de partículas, rayos X y microondas. Ingentes cantidades de energía almacenada en enormes bancos de condensadores serían transferidas a un lugar de descarga a muchos metros de distancia de la fuente a través de una línea de transmisión, teniendo dicho lugar de descarga un volumen de tan solo unos pocos centímetros cúbicos.

Nebulosa del Velo

Nebulosa del Velo. Crédito: NASA

Podemos relacionar sin duda las descargas de plasma cósmico con la creación de estrellas y galaxias. Esta peculiar y enorme actividad eléctrica constituye una explicación más simple y realista de las extremadamente brillantes explosiones de supernovas que se han podido observar, mucho más razonable que los habituales “colapsos gravitatorios de estrellas masivas” o la “repentina re-ignición de fusión nuclear en una estrella degenerada”. De hecho, debería ser reescrita la historia entera del Universo, desde la formación de los cúmulos de galaxias hasta las estrellas y los planetas.

Propiedades básicas. Modos de operación del plasma

El plasma se puede presentar en tres estados diferentes de operación:

  • Modo corriente oscura.- La fuerza de la corriente eléctrica (flujo de partículas cargadas) dentro del plasma, es muy baja. El plasma no emite luz. Es esencialmente invisible. No sabríamos de la presencia del plasma hasta que midiéramos su actividad eléctrica con instrumentos sensibles. La magnetosfera de los planetas son ejemplos de plasma operando en el modo de corriente oscura.
  • Modo normal luminiscente.- La fuerza de la corriente eléctrica (flujo de partículas cargadas) es significativo. El plasma emite luz. Su brillo depende de la intensidad de la corriente en el plasma. Ejemplos: tubos fluorescentes, auroras boreales, emisión de nebulosas ó la corona del Sol.
  • Modo arco eléctrico.- La fuerza de la corriente eléctrica en el plasma es muy alta. El plasma radia con brillo en un amplio espectro. Las corrientes tienden a formar filamentos trenzados. Algunos ejemplos de este modo de operación son: arcos de soldadura, rayos y la fotosfera del Sol.

En los tres modos de operación, los plasmas emiten radiación electromagnética visible (ruido de radiofrecuencia). En cualquier momento dado, la densidad de corriente (Amperios por metro cuadrado) existente en el plasma determina el modo particular en el que opera el plasma. La estructura atómica del gas que se ioniza para formar el plasma también es un factor importante a tener en cuenta en el proceso.

Filamentos de plasma

Filamentos de una descarga eléctrica en plasma, en laboratorio

Hannes Alfvén: El campo magnético no está “paralizado” dentro del plasma
Hannes Alfven

Hannes Alfvén

Durante años, se creyó  que los plasmas eran conductores perfectos y, como tales, el campo magnético en cualquier plasma debería estar “congelado” o paralizado dentro de él, es decir, sin ningún tipo de variación.

La explicación técnica es la siguiente. Una de las ecuaciones de Maxwell nos dice que el campo eléctrico es igual a la variación (negativa) del campo magnético con respecto al tiempo:  E = -dB/dt. Consecuentemente, si el campo eléctrico E es nulo en cualquier parte de una región, esto quiere decir que cualquier campo magnético en dicha región es constante. Así, si todos los plasmas fueran conductores ideales (por lo tanto no podrían albergar campos eléctricos, esto es, diferencias de potencial, dentro de ellos), entonces cualquier campo magnético dentro del plasma debería estar paralizado, esto es, no podría moverse ni cambiar de ninguna manera.

Ahora conocemos que puede haber ligeras diferencias de voltaje entre diferentes puntos dentro de los plasmas. El físico sueco, ingeniero de plasma, Hannes Alfvén (1908-1995) estableció este hecho en su discurso de aceptación del premio Nobel de Física en 1970. La conductividad eléctrica de cualquier material, incluido el plasma, se determina mediante dos factores: la densidad de población de portadores de carga (iones) disponibles en el material, y la movilidad de los mismos. En cualquier plasma, la movilidad de los electrones es extremadamente alta. Los electrones y los iones pueden moverse muy libremente en el espacio. Pero la concentración (número por unidad de volumen) de iones disponibles para llevar carga eléctrica puede no ser en absoluto alta si el plasma está a muy baja presión, esto es, si se trata de un plasma difuso. Así, aunque los plasmas son excelentes conductores, no son conductores perfectos. En los plasmas sí pueden existir campos eléctricos débiles. Por lo tanto, los campos magnéticos no están “paralizados” dentro de los plasmas.

Corrientes eléctricas en plasmas de tamaño cósmico. Corrientes de Birkeland

 

Kristian Birkeland

Kristian Birkeland

Las corrientes de Birkeland son así llamadas gracias al científico noruego Kristian Birkeland (1867-1917). Birkeland llevó a cabo extensos estudios acerca de las auroras boreales y probó en su laboratorio que un haz de electrones dirigido directamente hacia su “terrella” (esfera magnetizada como un modelo de la magnetosfera de la Tierra, en el centro de una cámara de vacío)era guiado hacia los polos magnéticos hasta formar anillos de luz cuando se excitaba las moléculas del gas residual dentro de la cámara. Concluyó que la aurora podía producirse de manera similar.

Debido a que los plasmas son buenos (pero no perfectos) conductores, equivalen a hilos conductores respecto a la capacidad de transportar corriente eléctrica. Es bien conocido el hecho de que si cualquier conductor se abre camino en un campo magnético, se originará una corriente que circulará por dicho conductor. Esto es como funcionan los alternadores y generadores eléctricos. Entonces, si existe cualquier movimiento relativo entre un plasma cósmico (por ejemplo en el brazo de una galaxia) y un campo magnético en el mismo lugar, entonces circularán corrientes de Birkeland en el plasma. Estas corrientes, a su vez, producirán sus propios campos magnéticos.

Terrella. Birkeland

La “terrella” de Birkeland no era sino una Tierra a pequeña escala con la cual, como vemos aquí, reproducía asombrosamente fenómenos eléctricos de plasma (auroras)

Los fenómenos que se producen en el plasma son escalables. Esto quiere decir que sus propiedades eléctricas y físicas son siempre las mismas independientemente del tamaño del plasma. Por supuesto los fenómenos dinámicos toman mucho menos tiempo en ocurrir en un pequeño laboratorio que en un plasma del tamaño de por ejemplo una galaxia. Pero los fenómenos son idénticos en que siempre obedecen las mismas leyes físicas. Así, podemos construir en el laboratorio modelos precisos a escala, de un plasma de tamaño cósmico y generar los mismos efectos exactamente como se producen en el espacio. De hecho, se ha demostrado que las corrientes eléctricas que circulan en el plasma reproducen la mayor parte de los fenómenos astronómicos observados que son inexplicables si se asume que las únicas fuerzas que intervienen en el Cosmos son el magnetismo y la gravedad.

Filamentos eléctricos en el Universo

Filamentos eléctricos en el Universo. Animación