En física e química, denomínase plasma (do latín plasma e do grego πλάσμα ‘formación’) ao cuarto estado de agregación da materia, un estado fluído similar ao estado gasoso pero no que determinada proporción das súas partículas están electricamente cargadas (ionizadas) e non posúen equilibrio electromagnético, por iso son bos condutores eléctricos e as súas partículas responden fortemente ás interaccións electromagnéticas de longo alcance. En certa forma e de maneira sintética, o plasma pódese caracterizar como un gas ionizado.
O plasma ten características propias que non se dan nos sólidos, líquidos ou gases, polo que é considerado outro estado de agregación da materia. O igual que o gas, o plasma non ten unha forma ou volume definido, a non ser que estea encerrado nun contedor. O plasma baixo a influencia dun campo magnético pode formar estruturas como filamentos, raios e capas dobres. Os átomos deste estado móvense libremente; canto máis alta é a temperatura máis rápido se moven os átomos no gas, e no momento de chocar a velocidade é tan alta que se produce un desprendemento de electróns.Bittencourt, pp. 1-2.
Quentar un gas pode ionizar as súas moléculas ou átomos (reducindo ou incrementado o seu número de electróns para formar ións), converténdoo nun plasma. A ionización tamén pode ser inducida por outros medios, como a aplicación dun forte campo electromagnético mediante un láser ou un xerador de microondas, e é acompañado pola disociación dos enlaces covalentes, se están presentes.
O plasma é o estado de agregación máis abundante no Universo, e a maior parte da materia visible atópase en estado de plasma, a maioría do cal é o enrarecido plasma intergaláctico (particularmente o centro de intracúmulos) e nas estrelas.Asegúrase ocasionalmente que máis do 99% da materia no universo visible é plasma. Véxase, por exemplo, e O plasma asóciase principalmente coas estrelas.
Historia miniatura|upright|Microcampos de plasma calculados mediante unha simulación de N -corpos. Obsérvense os electróns de movemento rápido e os ións lentos. Aseméllase a un fluído corporal O plasma foi identificado por primeira vez no laboratorio por sir William Crookes. Crookes presentou unha conferencia sobre o que denominou "materia radiante" ante a Asociación Británica para o Avance da Ciencia, en Sheffield, o venres 22 de agosto de 1879. Con todo, os estudos sistemáticos do plasma comezaron coas investigacións de Irving Langmuir e os seus colegas na década de 1920. Langmuir tamén introduciu o termo "plasma" como descrición do gas ionizado en 1928:
Lewi Tonks e Harold Mott-Smith, que traballaron con Langmuir nos anos 20, lembran que Langmuir utilizou por primeira vez o termo por analoxía co plasma sanguíneo. Mott-Smith lembra, en particular, que o transporte de electróns dos filamentos termoiónicos lembráballe a Langmuir "a forma en que o plasma sanguíneo transporta os glóbulos vermellos e brancos e os xermes".
Definicións O cuarto estado da materia O plasma é o cuarto estado da materia despois do sólido, o líquido e o gas.Yaffa Eliezer, Shalom Eliezer, The Fourth State of Matter: An Introduction to the Physics of Plasma, Publisher: Adam Hilger, 1989, , 226 páxinas, páxina 5 É un estado da materia no que unha substancia ionizada vólvese altamente condutora da electricidade ata o punto de que os campos eléctricos e magnéticos de longo alcance dominan o seu comportamento. O plasma é tipicamente un medio electricamente cuasineutral de partículas positivas e negativas non ligadas, é dicir, a carga total dun plasma é aproximadamente cero. Aínda que estas partículas non están unidas, non son "libres" no sentido de non experimentar forzas. As partículas cargadas en movemento xeran correntes eléctricas, e calquera movemento dunha partícula de plasma cargada afecta e vese afectada polos campos creados polas outras cargas. Á súa vez, isto goberna o comportamento colectivo con moitos graos de variación.
O plasma distínguese dos demais estados da materia. En particular, describir un plasma de baixa densidade como un mero "gas ionizado" é erróneo e enganoso, a pesar de que é similar á fase gasosa no sentido de que ambos non asumen unha forma ou volume definidos. A seguinte táboa resume algunhas das principais diferenzas: Propiedade Gas Plasma Interaccións Binaria: As colisións de dúas partículas son a regra, as de tres corpos son extremadamente raras. Colectiva: As ondas, ou movemento organizado do plasma, son moi importantes porque as partículas poden interactuar a grandes distancias a través das forzas eléctricas e magnéticas. Conductividade eléctrica Moi baixa: Os gases son excelentes illantes ata intensidades de campo eléctrico de decenas de kilovoltios por centímetro. Moi alta: Para moitos propósitos, a condutividade dun plasma pode ser tratada como infinita. Especies que actúan de forma independente Un: Todas as partículas do gas compórtanse de forma similar, influídas en gran medida polas colisións entre elas e pola gravidade. Dous ou máis: Os electróns e os ións posúen diferentes cargas e masas moi diferentes, polo que se comportan de forma diferente en moitas circunstancias, xurdindo como resultado diversos tipos de ondas específicas do plasma e inestabilidades. Distribución da velocidade Maxwelliano: as colisións xeralmente conducen a unha distribución de velocidade maxwelliana de todas as partículas de gas. A miúdo non maxwelliano: As interaccións de colisión son relativamente débiles en plásmalos quentes e as forzas externas poden afastar o plasma do equilibrio local.
Plasma ideal Tres factores definen un plasma ideal:
A aproximación do plasma: Aplícase cando o parámetro do plasma Λ, que representa o número de portadores de carga dentro da esfera de Debye é moito maior que a unidade. Pódese demostrar facilmente que este criterio é equivalente á pequenez da relación das densidades de enerxía electrostática e térmica do plasma. Tales plasmas denomínanse debilmente axustados. Interaccións a granel: A lonxitude de Debye é moito menor que o tamaño físico do plasma. Este criterio significa que as interaccións no groso do plasma son máis importantes que as dos seus bordos, onde poden ter lugar efectos de fronteira. Cando se cumpre este criterio, o plasma é cuasineutral. Sen colisións: A frecuencia do plasma de electróns (que mide as oscilacións dos electróns no plasma) é moito maior que a frecuencia de colisión electrón-neutral. Cando esta condición é válida, as interaccións electrostáticas dominan sobre os procesos da cinética ordinaria do gas. Tales plasmas denomínanse sen colisións. Plasma non neutro A forza e o alcance da forza eléctrica e a boa condutividade dos plasmas adoitan asegurar que as densidades das cargas positivas e negativas en calquera rexión considerable son iguais ("cuasineutralidade"). Un plasma cun exceso significativo de densidade de carga ou, no caso extremo, composto por unha soa especie, denomínase plasma non neutro. Nun plasma deste tipo, os campos eléctricos desempeñan un papel dominante. Algúns exemplos son os feixes de partículas (en inglés Particle beam) cargadas, unha nube de electróns nunha trampa de Penning e os plasmas de positróns. Plasma poeirento Un plasma poeirento contén diminutas partículas de po cargadas (tipicamente atopadas no espazo). As partículas de po adquiren altas cargas e interactúan entre si. Un plasma que contén partículas máis grandes chámase plasma de gran. En condicións de laboratorio, os plasmas poeirentos tamén se denominan plasmas complexos.
Exemplos de plasmas miniatura|O sol é o exemplo de plasma máis identificable. Algúns exemplos de plasmas son:Plasma science and technology
+ Formas comúns de plasma Producidos artificialmentePlasmas terrestresPlasmas espaciais e astrofísicos: Nos televisores ou monitores con pantalla de plasma. No interior dos tubos fluorescentes (iluminación de baixo consumo).IPPEX Glossary of Fusion Terms Consultado o 28 de outubro de 2011. En soldaduras de arco eléctrico baixo protección por gas (TIG, MIG/MAG etc.) Materia expulsada para a propulsión de foguetes. A rexión que arrodea o escudo térmico dunha nave espacial durante a súa entrada na atmosfera. O interior dos reactores de fusión. As descargas eléctricas de uso industrial. As lámpadas de plasma. Os raios durante unha tormenta. Os santelmos. A ionosfera. A aurora polar. Algunhas lapas."Plasma and Flames – The Burning Question", Consultado o 8 de novembro de 2012 O vento polar, unha fonte de plasma. O Sol e outras estrelas (Plasmas quentados por fusión nuclear). Os ventos solares. O medio interplanetario (a materia entre os planetas do Sistema Solar), o medio interestelar (a materia entre as estrelas) e o medio intergaláctico (a materia entre as galaxias). Os discos de acreción. As nebulosas intergalácticas. O ambiplasma
Propiedades e parámetros miniatura|upright|Representación artística da fonte de plasma da Terra, que mostra ións de osíxeno, helio e hidróxeno que brotan ao espazo desde rexións próximas aos polos. A área lixeiramente amarela que se mostra sobre o polo norte representa o gas perdido pola Terra ao espazo; a zona verde é a aurora boreal, onde a enerxía do plasma flúe de volta á atmosfera.Plasma fountain Source, press release: Solar Wind Squeezes Some of Earth's Atmosphere into Space
Propiedades do plasma É electricamente neutro, neutralidade garantida polo equilibrio das partículas compoñentes do plasma. Resumidamente, o seu número de neutróns, protóns e electróns é igual. O plasma é óptimo condutor eléctrico, unha vez que posúe gran cantidade de electróns libres. O plasma preséntase como un óptimo condutor de calor. O plasma é fonte de ondas electromagnéticas. Estando o plasma suxeito a un campo magnético, este induce un campo eléctrico e viceversa. Nótase que, no caso do Sol, o campo electromagnético é tan intenso que influencia dispositivos sensíbeis a estes campos, como satélites de comunicacións por exemplo e tamén orixina fenómenos interesantes como a aurora boreal.
Parámetros dun plasma Posto que existen plasmas en contextos moi diferentes e con características diversas, a primeira tarefa da física do plasma é definir apropiadamente os parámetros que deciden o comportamento dun plasma. Os principais parámetros son os seguintes:
Neutralidade e especies presentes O plasma está formado por igual número de cargas positivas e negativas, o que anula a carga total do sistema. Nese caso fálase dun plasma neutro ou case neutro. Tamén existen plasmas non neutros ou inestables, como o fluxo de electróns dentro dun acelerador de partículas, pero requiren algún tipo de confinamento externo para vencer as forzas de repulsión electrostática.
Os plasmas máis comúns son os formados por electróns e ións. En xeral pode haber varias especies de ións dentro do plasma, como moléculas ionizadas positivas (catións) e outras que capturaron un electrón e achegan unha carga negativa (anións).
Lonxitudes A lonxitude de Debye ou de apantallamento electromagnético.Bittencourt, pp. 7-8 Tamén a lonxitude dunha onda plasmática depende do contido cóncavo do seu recipiente, o cal inflúe porque o seu paralelismo con respecto do eixo x sobre a terra afecta a lonxitude da devandita onda de espectro electromagnético.
A frecuencia de plasma Así como a lonxitude de Debye proporciona unha medida das lonxitudes nun plasma, a frecuencia de plasma () describe os seus tempos característicos. Se se supón que nun plasma en equilibrio e sen densidades de carga se introduce un pequeno desprazamento de todos os electróns nunha dirección. Estes sentirán a atracción dos ións na dirección oposta, moveranse cara a ela e comezarán a oscilar arredor da súa posición orixinal de equilibrio. A frecuencia desa oscilación denomínase frecuencia de plasma. A frecuencia de plasma dos electróns é:Bittencourt, p. 10
onde é a masa do electrón e a súa carga.
Temperatura: velocidade térmica