Aplicaciones DE LA Física plasma PDF

Preview

Summary

Plasma en física como se logro aprovechar el plasma...

Description

APLICACIONES DE LA FÍSICA: TEMA: LA FÍSICA DEL PLASMA 1) Curiosidades A pesar de que el concepto de plasma es nuevo ya se trabajaba con plasma sin conocer de ella, Ya en 1667 unos miembros de la Academia de Ciencias de Florencia descubrieron que la llama de un mechero (que ahora sabemos que es un plasma) tenía la propiedad de inducir la electricidad. Casi cincuenta años después se produjeron descargas eléctricas más intensas con ayuda de la botella de Leyden; a comienzos del siglo XIX se descubrió la descarga de arco y desde la década de 1830 el científico inglés Michael Faraday ya experimentaba sistemáticamente con descargas. Pero no fue sino hasta 1879 que se reconoció al estado de plasma como un estado particular de la materia, distinto de los demás. El físico inglés William Crookes, al experimentar con descargas eléctricas en gases, se dio cuenta de que el gas en donde se establecía la descarga se comportaba sustancialmente diferente que un gas regular y sugirió la existencia de un nuevo estado al cual llamó el cuarto estado de la materia 2) Conceptos 2.1) El plasma: Es el cuarto estado de la materia y está presente en el 99% del universo visible. Sabemos que está compuesto por iones, electrones y partículas neutras que exhiben comportamiento colectivo. A pesar de tener partículas cargadas, son eléctricamente neutros y sensibles a campos eléctricos y magnéticos externos. Debido a que los plasmas corresponden principalmente a electrones e iones (átomos que han perdido electrones), sus temperaturas características son muy altas –superiores a los 10.000º C– y es necesario entregarles energía para evitar la recombinación que finalmente termina en gases neutros. 2.2) Tipos de plasma. 2.2.1) 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. 2.2.2) 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. 2.3) Características del plasma.

2.3.1) Movimientos colectivos Una de las principales características de la materia en estado de plasma es su capacidad de responder colectivamente a impulsos internos y externos. Este comportamiento fue descrito por primera vez por John Willian Strutt Rayleigh, a quien en 1906 se le concedió el título de lord. Los movimientos colectivos del plasma son consecuencia del gran alcance de las fuerzas electrostáticas que sienten entre sí las partículas cargadas que lo componen. A la fuerza entre dos partículas cargadas se le conoce como fuerza de Coulomb, porque fue el físico francés Charles Augustin Coulomb quien en 1785 midió por primera vez la fuerza entre cargas eléctricas a diferentes distancias. Según la relación encontrada por Coulomb:

Fe = q1q2 / r2, lo que indica que la fuerza Fe depende de la magnitud de las cargas (q1 y q2) de las partículas que interactúan y del cuadrado de la distancia (r) que las separa. Esta fuerza se incrementa al aumentar la carga de cualquiera de las partículas y disminuye al aumentar la distancia entre ellas. Sin embargo, aunque la fuerza disminuye con la distancia, para que se reduzca a cero, es necesario que la distancia entre las cargas sea infinita. De esta manera, una carga eléctrica sentirá la presencia de otra a distancias muy grandes. 2.3.2) CUASINEUTRALIDAD DEL PLASMA Puesto que en el plasma existe muy poca restricción al movimiento de las cargas, tiende a mantener un estado de neutralidad eléctrica aun en regiones muy pequeñas. Cualquier acumulación de carga de un solo signo en cierta región del plasma producirá una fuerza atractiva para las cargas opuestas lo suficientemente grande como para recuperar el equilibrio de la carga eléctrica casi instantáneamente. De esta manera, si el plasma no es forzado por campos eléctricos o magnéticos muy intensos a mantener acumulaciones locales de carga, permanecerá en un estado de cuasineutralidad, esto es, un estado en el que la concentración de cargas positivas será prácticamente igual a la concentración de cargas negativas, aun en pequeñas regiones del espacio. 2.3.3) INESTABILIDADES El comportamiento colectivo de los plasmas no siempre es estable. De hecho, el plasma es un sistema muy inestable. Si dentro del comportamiento colectivo ocurre una alteración local, es posible que ésta sea sólo una fluctuación que desaparezca rápidamente; en este caso se dice que el sistema está en equilibrio estable. Pero en los plasmas es muy común que la desorganización cunda de manera que el comportamiento desordenado del plasma se extienda, crezca y destruya, finalmente, cualquier estructura organizada. En el plasma existen muchas inestabilidades ya clasificadas y una buena parte de la investigación en la física de los plasmas consiste en entender mejor estas inestabilidades y encontrar la manera de controlarlas con la ayuda de campos magnéticos. 2.3.4) LA DISTANCIA DE DEBYE Aunque el alcance de la fuerza eléctrica entre dos cargas en el espacio vacío es infinito, en el interior del plasma éste se reduce debido a la presencia de las demás cargas de signo contrario que rodean cualquier carga. Imaginemos un ion positivo en un plasma debido a la fuerza de Coulomb, toda una nube de electrones negativos será atraída hacia ese ion. Estos electrones formarán alrededor del ion una coraza de carga contraria que impedirá que la carga de este ion sea sentida por cargas más lejanas. Lo mismo ocurrirá con los electrones y de esta manera se genera un efecto de apantallamiento, que limita el alcance real de la atracción o repulsión de cada carga hacia sus vecinas. Esta distancia, que podríamos definir como el radio de la esfera real de influencia de cada carga dentro del plasma se conoce como la distancia de

Debye o la longitud de Debye. Debe su nombre al físico holandés Peter Debye, quien fue el primero en reconocer este efecto para aplicar el movimiento de los iones en la solución de un electrolito. Esta distancia está dada por: D= [ ( kt ) / ( 4pne2 )] 1/2 donde k es una constante (k=1.38 x 10-23 Joules/Kº), llamada la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta del plasma en grados Kelvin) n es el número de cargas (positivas o negativas) por metro cúbico e (= 1.6 x 10-19 Coulombs) es la carga del electrón. 3) Experiencia. Para poder desarrollar una experiencia de como se puede apreciar el plasma, se tiene la experimentación de 2 uvas dentro de unas microondas estas en contacto. Materiales: 2 uvas 1 microondas 1 recipiente para las uvas (luna de vidrio)

Figura1: uvas en la luna de vidrio Procedimiento a) Colocamos las 2 uvas en contacto dentro del recipiente (Luna de vidrio) estas tienen que estar sin pelarse. b) Procedemos a colocarlos en el microondas c) Encendemos el microondas d) Apreciamos el fenómeno que ocurre con las uvas

Figura2: fenómeno en el microondas 4) Explicación del fenómeno. Primero tenemos que conocer es que la onda que se produce en el ambiente normalmente es de 12cm, pero debido a que en la uva su índice de refracción es menor cercano al 1.33, por lo cual la longitud de onda cambia al mismo tamaño de la uva. Entonces ahora al colocar la segunda uva en contacto con la primera esta genera el campo electromagnético mayor a una sola. Este campo empieza a generar chispas descomponiendo el aire y generando el plasma (aire ionizado). Se pude apreciar en: https://www.youtube.com/watch?v=wCrtk-pyP0I

Figura3: imagen térmica de la interacción de las uvas Bibliografía Instituto de física. Pontificia universidad católica de chile. “Física de plasma” obtenido de: http://fisica.uc.cl/fisica-de-plasmas.html. Francisco R. V. (20/022019). La ciencia de la mula Francis. “Por qué las uvas producen un plasma en un horno microondas” obtenido de : https://francis.naukas.com/2019/02/20/por-que-las-uvas-producen-unplasma-en-un-horno-microondas/. Área

ciencias. “Estado plasma” obtenido de: https://www.areaciencias.com/fisica/plasma/. Veritasium. (18/02/2019) Veritasium. “Como se genera plasma metiendo uvas al microondas” obtenido de: https://www.youtube.com/watch?v=wCrtkpyP0I&ab_channel=Veritasium. Silvia B. Ciencia para todos “Plasma en todas partes”. Capitulo II. Obtenido de: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/126/htm /plasmas.htm....