Al Plasma se le llama a veces “el cuarto estado de la materia”, además de los tres conocidos, sólido, líquido y gas. Es un gas en el que los átomos se han roto, que está formado por electrones negativos y por iones positivos, átomos que han perdido electrones y han quedado con una carga eléctrica positiva y que están moviéndose libremente.
Donde vivimos nosotros, en la baja atmósfera, cualquier átomo que pierde un electrón (p.e., cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida) lo recupera pronto o atrapa otro. Pero la situación a altas temperaturas, como las que existen en el Sol, es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos moviéndose muy rápidamente son lo suficientemente violentas como para liberar los electrones. En la atmósfera solar, una gran parte de los átomos están permanentemente “ionizados” por estas colisiones y el gas se comporta como un plasma.
A diferencia de los gases fríos (p.e. el aire a la temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influídos por los campos magnéticos. La lámpara fluorescente, muy usada en el hogar y en el trabajo, contiene plasma (su componente principal es el vapor de mercurio) que calienta y agita la electricidad, mediante la línea de fuerza a la que está conectada la lámpara. La línea hace positivo eléctricamente a un extremo y el otro negativo (vea el dibujo inferior) causa que los iones (+) se aceleren hacia el extremo (-), y que los electrones (-) vayan hacia el extremo (+). Las partículas aceleradas ganan energía, colisionan con los átomos, expulsan electrones adicionales y así mantienen el plasma, incluso aunque se recombinen partículas. Las colisiones también hacen que los átomos emitan luz y, de hecho, esta forma de luz es más eficiente que las lámparas tradicionales. Los letreros de neón y las luces urbanas funcionan por un principio similar y también se usan (o usaron) en electrónica.
[En el caso de que se pregunte: cuando se enciende por primera vez la lámpara fluorescente, el gas está frío, pero unos pocos iones y electrones están siempre presentes debido a los rayos cósmicos y a la radioactividad natural. Las colisiones los multiplican rápidamente.
Y es verdad dado que se usa corriente alterna, los puntos positivo (+) y negativo (-) que alimentan al tubo se alternan 60 veces cada segundo. Sin embargo, los iones y electrones responden mucho más rápido que eso, por lo que el proceso permanece sin cambios.]
Profundicemos más en cómo funciona el fluorescente
Usted habrá notado en la imagen que el circuito del aparato de luz fluorescente tiene incluido un balasto (reactancia). Usted también los debió observar en los aparatos de su casa, a menudo integrados dentro de una caja rectangular. Los bombillos ordinarios de filamentos incandescentes están directamente conectados a las líneas de voltaje, pero las lámparas fluorescentes siempre reciben su corriente a través de una reactancia. ¿Por qué?
Buena pregunta. Si usted ha estudiado electricidad, seguramente estudió la Ley de Ohm, según la cual la corriente que fluye a través de un mecanismo es inversamente proporcional a su resistencia eléctrica R. Doble la resistencia R y tan sólo 1/2 de la corriente pasará a través de ella, remplácela con una 10 veces mayor y sólo 1/10, cuanto mucho, podrá fluir. Es un poco como agua que fluye en una tubería–si usted hace la tubería 10 veces más angosta, entonces (las otras variables son las mismas) tan sólo 1/10 de agua, a lo más, fluirá a través de ésta.
Ahora bien, dado el caso de que usted pensase que la Ley de Ohm era una ley universal de la electricidad–piénselo de nuevo, pues no es así. Los cables metálicos la satisfacen bastante bien, aunque su resistencia varíe con la temperatura: un filamento de bombillo frío tan sólo tiene 1/5 de la resistencia de uno caliente, así pues, la lámpara presenta una corriente de 5 líneas, lo que ayuda a encenderla rápidamente. Pero los plasmas no satisfacen esta ley en absoluto. La resistencia de su lámpara fluorescente no es fija, depende de la corriente transportada: más grande es la corriente, más pequeña es la resistencia.
Dicho en otras palabras, el plasma es un voraz conductor de electricidad. Suponga que hay apenas suficientes electrones libres para que una corriente comience. La corriente hace que iones y electrones se muevan rápidamente y colisionen violentamente. Estas colisiones despojan a su vez de electrones adicionales a los átomos de gas. Los electrones adicionales aumentan la corriente causando más colisiones y produciendo aún más electrones, lo que crea aún más y más corriente… Así, si una lámpara fluorescente estuviese directamente conectada a las líneas de poder, desprotegida, su corriente crecería rápidamente hasta que algo se dañase. El tubo podría calentarse y explotar, el cableado podría fundirse…o más bien, el fusible o el interruptor de circuito que protege el aparato paralizaría la cor! riente.
Una resistencia conectada frente al tubo, en el lugar de la reactancia en el dibujo, prevendría que esto sucediese. Imagine nuestra electricidad que viene de una línea de 110 voltios y la resistencia en frente es de 220 ohms: luego, incluso si la eficaz resistencia del plasma cae a cero (¡y no puede caer más!), la corriente obtenida es de sólo (110volt/220 ohm) = 0.5 amperio. Si el plasma agrega su propia resistencia diferente a cero, esto hace que el denominador aumente y que la corriente sea aún más pequeña.
Entonces ¿por qué un reactancia y no una resistencia? Porque el tubo es alimentado por un voltaje, que sube y baja 120 veces por segundo (en EEUU; 100 veces en Europa). Su corriente eléctrica se agita de un lado para el otro, 60 veces por segundo hacia una dirección, 60 veces hacia la dirección contraria. En medio de esto, 120 veces cada segundo, el voltaje cae a cero y el tubo se extingue por lo que el plasma reacciona muy rápidamente. De alguna manera, ¡debe ser encendida de nuevo!
Un reactancia puede hacerlo. En una corriente alternativa, éste actúa un poco como una resistencia. Mientras la corriente aumenta, éste absorbe energía de la misma para construir su campo magnético, desacelerando así su crecimiento. Luego, cuando el voltaje cae a cero, la energía magnética almacenada produce un aumento de voltaje que enciende el tubo de nuevo. Normalmente, usted no verá el rápido parpadeo de la luz, excepto quizá si usted enciende un ventilador giratorio cuando (estando en la velocidad exacta) su movimiento parece detenerse. (Nota: ahora existen lámparas fluorescentes compactas cuya reactancia ha sido remplazado por un circuito electrónico más complejo. El flujo de corriente eléctrica está entonces limitado por transistores.)
¿Y qué hay de esta cosa “fluorescente”? Los átomos de mercurio en el plasma generan luz muy eficientemente, pero gran parte de ésta es ultravioleta (UV), invisible y nociva para el ojo (o más bien, lo sería, si no fuese absorbida por el vidrio). La solución es cubrir el interior del tubo con una pintura que brille en la oscuridad (fluorescente), la cual absorbe los UV y difunde su energía de nuevo como luz visible.
Todas las demás lámparas de plasma — faroles públicos de sodio y mercurio, luces de neón, etc. — necesitan reactancias también. Recientemente han aparecido pequeñas lámparas fluorescentes en el mercado, las cuales se enroscan en el sócate de un bombillo regular. Tienen circuitos transistores en lugar de la reactancia y, aunque cuestan más que las lámparas de filamentos, son (como otras lámparas fluorescentes) mucho más eficientes.
Y si usted piensa que la Ley de Ohm es gravemente violada por los plasmas de una lámpara fluorescente, espere a leer abajo acerca de los cinturones de radiación. La corriente eléctrica transportada alrededor de la Tierra por iones y electrones atrapados no necesita voltaje alguno, circula solamente gracias a la propiedad de retención del plasma
Si una lámpara fluorescente no estuviese protegida por una reactancia podría, en principio, generar una enorme corriente. Ocasionalmente (no con mucha frecuencia), una reactancia falla gravemente, el interruptor de circuito falla en su función y se produce un incendio. El signo habitual de una reactancia que falla es un fuerte zumbido proveniente del aparato. La razón: para prevenir las corrientes parasitarias, la reactancia no cubre los alrededores de un núcleo sólido de hierro, sino los de una pila de láminas de hierro, aisladas entre sí por una sustancia parecida al alquitrán. En algunos viejos aparatos, estas láminas se aflojan y comienzan a vibrar a la frecuencia de la corriente alternativa, lo que a nuestros oídos suena como un profundo zumbido. Vibraciones violentas pueden raspar la cubierta de las reactancias y permitir que el plasma transporte una gran corriente.
Un zumbido de baja intensidad probablemente no sea causa de alarma, aunque puede ser molesto. Pero si el zumbido se vuelve realmente fuerte, puede ser mejor remplazar las reactancias del artefacto. Los transformadores eléctricos también están construidos alrededor de una pila de láminas de hierro y están sujetos al mismo problema.
El plasma en la Naturaleza
Como ya se dijo, el Sol consiste de plasma. Otro importante plasma en la naturaleza es la ionosfera, que comienza a unos 70-80 km por encima de la superficie terrestre. Aquí los electrones son expulsados de los átomos por la luz solar de corta longitud de onda, desde la ultravioleta a los rayos X: no se recombinan fácilmente debido a que la atmósfera se rarifica más a mayores altitudes y no son frecuentes las colisiones. La parte inferior de la ionosfera, la “capa D”, a los 70-90 km, aún tiene suficientes colisiones como para desaparecer después de la puesta del sol. Entonces se combinan los iones y los electrones, mientras que la ausencia de luz solar no los vuelve a producir. No obstante, esta capa se restablece después del amanecer. Por encima de los 200 km, las colisiones son tan infrecuentes que la ionosfera prosigue día y noche.
La parte superior de la ionosfera se extiende en el espacio muchos miles de kilómetros y se combina con la magnetosfera, cuyos plasmas están generalmente más rarificados y también más calientes. Los iones y los electrones del plasma de la magnetosfera provienen en parte de la ionosfera que está por debajo y en parte del viento solar (próxima sección) y muchos de los pormenores de su entrada y calentamiento no están aún claros.
Finalmente, existe el plasma interplanetario, el viento solar. la capa más externa del Sol, la corona, está tan caliente que no solo están todos sus átomos ionizados, sino que aquellos que comenzaron con muchos electrones, tienen arrancados la mayoría (a veces la totalidad), incluidos los electrones de las capas más profundas que están mas fuertemente unidos. Por ejemplo, en la corona se ha detectado la luz característica del hierro que ha perdido 13 electrones.
Esta temperatura extrema también evita que el plasma de la corona permanezca cautivo por la gravedad solar y así fluye en todas direcciones, llenando el sistema solar más allá de los planetas más distantes. El Sol, mediante el viento solar configura el distante campo magnético terrestre y el rápido flujo del viento (~400 km/s) proporciona la energía que alimenta los fenómenos de la aurora polar, los cinturones de radiación y de las tormentas magnéticas.
Las corrientes de plasma: Los cinturones de radiación
Realmente la Tierra tiene dos cinturones de radiación de diferente origen. El cinturón interior, descubierto por el contador Geiger de Van Allen, ocupa una densa región sobre el ecuador (vea el dibujo, que incluye también las trayectorias de dos sondas espaciales) que es un subproducto de la radiación cósmica. Está poblado de protones de energías entre los 10-100 Mev, que penetran fácilmente en una nave espacial y que pueden, bajo una exposición prolongada, dañar los instrumentos y ser peligrosos para los astronautas. Tanto las misiones tripuladas como las no tripuladas evitan esa región.
Corte transversal de los dos cinturones de radiación, con las órbitas de los Pioneers 3 y 4, que ofrecieron las primeras observaciones de los cinturones
Al cinturón de radiación exterior se le considera actualmente como una parte del plasma atrapado en la magnetosfera. El nombre “cinturón de radiación” se aplica normalmente a la parte más energética de ese plasma, p.e. a los iones de 1 Mev de energía. A las partículas de menor energía, mucho más numerosas, se las conoce como “corriente de anillo”, dado que transportan la corriente responsable de las tormentas magnéticas. La mayor parte de la corriente de anillo reside en los iones (de unos 0.05 MeV), pero también se pueden encontrar electrones más energéticos.
Fuente: NASA