El plasma és un estat de la matèria diferent dels estats sòlids, líquids i gasosos.
Es caracteritza per ser un gas ionitzat en què els àtoms han perdut o guanyat electrons, creant una barreja d'ions positius i electrons lliures. En un sentit més ampli, el plasma pot estar compost per qualsevol partícula carregada, com ara ions negatius, electrons, i àtoms o molècules ionitzats.
Transició a plasma
El plasma es forma quan un gas s'escalfa a temperatures extremadament altes, suficients per ionitzar els àtoms i les molècules. Aquest estat és conegut com el quart estat d'agregació de la matèria .
A diferència dels sòlids, líquids i gasos, el plasma no té una forma ni un volum definits. Les seves partícules carregades es mouen lliurement, permetent que el plasma respongui a camps elèctrics i magnètics.
Relació amb electricitat
Una de les propietats distintives del plasma és la capacitat per conduir corrent elèctric.
Això és degut a la presència d'electrons lliures i ions al plasma, que permeten que el plasma actuï com un conductor. A més, els plasmes poden generar els seus propis camps elèctrics i són altament influenciats pels camps magnètics .
Aquesta propietat fa que el plasma sigui essencial en diverses aplicacions tecnològiques, com en tubs fluorescents i llums de neó , on lelectricitat excita el gas a linterior del tub, produint llum visible.
Relació amb lenergia nuclear de fusió
La fusió nuclear és el procés en què dos nuclis atòmics lleugers es combinen per formar un nucli més pesat, alliberant una gran quantitat denergia en el procés.
Perquè la fusió nuclear es produeixi, els nuclis atòmics han de superar una barrera de repulsió electrostàtica a causa de les seves càrregues positives. Això requereix que els àtoms es mantinguin a temperatures extremadament altes, de l'ordre de milions de graus Celsius, perquè puguin obtenir prou energia cinètica per vèncer aquesta repulsió i permetre la fusió.
A aquestes temperatures extremadament altes, el material es troba a l'estat de plasma. Al plasma, els àtoms estan completament ionitzats, i les partícules carregades (ions i electrons) es mouen lliurement. Això és crucial perquè les reaccions de fusió requereixen temperatures i pressions tan altes que els àtoms es converteixen en plasma, permetent que els nuclis atòmics es trobin i fusionin.
Perquè la fusió nuclear sigui viable, el plasma ha de ser confinat i mantingut a les condicions necessàries. Hi ha dos mètodes principals per confinar el plasma:
- Confinament magnètic : Utilitza camps magnètics per mantenir el plasma a temperatures altes i evitar que toqui les parets del contenidor. Exemples inclouen el tokamak i l' stellarator , que són dispositius experimentals en què s'investiga la fusió.
- Confinament inercial : Utilitza làsers o altres mètodes per escalfar i comprimir petites mostres de combustible de fusió, creant les condicions necessàries per a la fusió.
Mantenir un plasma en les condicions adequades per a la fusió és un desafiament tècnic significatiu. Els enginyers nuclears han de controlar la temperatura del plasma, la seva densitat i el seu confinament durant el temps suficient perquè es produeixin reaccions de fusió de manera efectiva.
Diferències amb els estats gasosos
Tot i que el plasma comparteix algunes característiques amb l'estat gasós, com ara la manca de forma i volum definits, hi ha diferències clau:
- Ionització : A diferència dels gasos ordinaris, al plasma els àtoms estan ionitzats, creant una barreja d'ions i electrons lliures.
- Conducció Elèctrica : El plasma pot conduir electricitat i és sensible a camps elèctrics i magnètics, mentre que els gasos neutres no tenen aquesta capacitat.
- Interaccions Electromagnètiques : El plasma interactua intensament amb camps magnètics i elèctrics, a diferència dels gasos que són menys afectats per aquests camps.
El Plasma a l'univers
El plasma és l'estat de la matèria més abundant a l'univers. La majoria de la matèria bariònica (composta per protons i neutrons) al cosmos existeix en forma de plasma. Totes les estrelles , incloent el nostre sol, estan compostes de plasma. Fins i tot l'espai interstel·lar, encara que molt enrarit, conté plasma.
Per exemple, Júpiter , el planeta més gran del sistema solar, conté una significativa quantitat de matèria en formes no plasmàtiques (líquids, sòlids i gasos), però el plasma és una part crucial de la seva composició i dinàmica.
Fins i tot les partícules de pols a l'espai exterior, que poden portar una càrrega elèctrica, es consideren part del plasma universal. Aquestes partícules poden formar plasmes complexos compostos per ions carregats, contribuint a la diversitat i extensió del plasma al cosmos.
Exemples de plasma
A continuació mostrem alguns exemples de plasma que poden ser d'origen natural o artificial:
- Estrelles i sol Les estrelles, incloent el Sol, estan compostes principalment de plasma. A l'interior dels estels, les temperatures extremadament altes provoquen la ionització dels àtoms, creant un plasma que permet les reaccions de fusió nuclear.
- Aurores boreals i australs : Aquestes impressionants exhibicions de llum al cel polar són causades pel plasma. El vent solar, un plasma de partícules carregades, interactua amb l'atmosfera terrestre, ionitzant els gasos i creant les aurores.
- Llampecs Durant una tempesta elèctrica, els llampecs creen un plasma a l'atmosfera. La descàrrega elèctrica ionitza els gasos de l'aire i genera un canal de plasma brillant i calent.
- Vent solar El vent solar és un corrent de partícules carregades (plasma) emeses pel Sol. Aquestes partícules poden interactuar amb el camp magnètic de la Terra i altres planetes, creant fenòmens com les aurores.
- Làmpades de neó i tubs fluorescents Aquests llums contenen gasos en estat de plasma. Quan s'aplica un voltatge elèctric, el gas s'ionitza i produeix llum. Els llums de neó emeten una llum característica de color vermell, mentre que els tubs fluorescents poden emetre una gamma de colors depenent dels recobriments interns.
- Pantalles de plasma : Les pantalles de plasma, utilitzades en televisors i monitors, funcionen mitjançant l'excitació de gasos ionitzats a cel·les dins de la pantalla, cosa que produeix llum per crear imatges.
- Fusió nuclear en laboratoris Els experiments de fusió nuclear, com els que es realitzen en dispositius tokamak i stellarator , confinen un plasma a altes temperatures per induir reaccions de fusió. Aquests dispositius intenten recrear les condicions extremes de les estrelles en un entorn controlat.
- Tall per plasma : A la indústria, el tall per plasma utilitza un raig de plasma a alta temperatura per tallar materials conductors, com metalls. El plasma es genera mitjançant la ionització d'un gas que es força a través d'un petit orifici.
- Llums de plasma de bola : Aquestes làmpades decoratives contenen un gas de plasma en una esfera de vidre. Quan s'aplica un voltatge als elèctrodes dins de l'esfera, el gas s'ionitza i produeix un espectacle visual de baixades de llum.
Aurores boreals
Les aurores boreals (i australs) són exemples naturals de plasma.
Aquests llums espectaculars es generen quan partícules carregades del vent solar col·lisionen amb els àtoms a l'atmosfera terrestre. El vent solar, compost per un plasma d'alta energia, interacciona amb el camp magnètic de la Terra i provoca que les partícules siguin dirigides cap als pols.
En xocar amb les molècules de l'atmosfera, aquestes partícules ionitzen els gasos, creant les impressionants exhibicions de llum conegudes com a aurores.