Estado plasma: características, tipos y ejemplos

El estado plasma es una de las formas fundamentales en que la materia puede agregarse, y es la más predominante en el Universo observable. El plasma consiste en un gas caliente, brillante y altamente ionizado, hasta un punto donde cobra propiedades únicas que lo diferencia del estado gaseoso o de cualquier otro gas en particular.

El plasma lo vemos diseminado en las estrellas de los cielos nocturnos. Al haber un número interminable de estrellas en el Universo, así como de nebulosas y de otras entidades celestes, se le considera como el estado de la materia más importante. En la Tierra se considera el cuarto estado, después del líquido, sólido y gaseoso.

El Sol es el ejemplo más cercano donde podemos apreciar a escalas masivas las características del plasma en un entorno natural. Por otro lado, en la Tierra ocurren fenómenos naturales en los cuales se desencadena una momentánea aparición del plasma, tales como el fuego y los rayos en las tormentas.

El plasma no solo viene asociado a altas temperaturas (millones de grados kelvin), sino también a grandes potenciales eléctricos, a luces incandescentes, y a una conductividad eléctrica infinita.

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Características del plasma

Composición

La materia está compuesta de partículas (moléculas, átomos, iones, células, etc.), las cuales dependiendo de la efectividad y las fuerzas con que se agreguen, establecen un estado sólido, líquido o gaseoso.

Las partículas del plasma consisten en átomos cargados positivamente, mejor conocidos como cationes (+), y en electrones (-). En el estado plasmático de la materia no se habla de moléculas.

Los cationes y los electrones vibran a altísimas frecuencias mostrando un comportamiento colectivo y no individual. No pueden separarse o moverse sin que todo el conjunto de partículas se perturbe.

Esto no ocurre por ejemplo con los gases, donde sus átomos o moléculas, aunque colisionen unas con otras, tienen interacciones mínimas, despreciables.

Formación

El estado plasma se forma, principalmente, cuando un gas se ioniza resultado de su exposición a temperaturas muy altas.

Partamos primero de un cubo de hielo. Este es un sólido. Si se le calienta, el hielo se derretirá en agua líquida. Luego, calentando a mayores temperaturas, el agua comenzará a hervir y a escapar del líquido como vapor, el cual es un gas. Hasta aquí tenemos los tres estados más conocidos de la materia.

Si el vapor de agua se calienta a una temperatura mucho mayor, bajo condiciones favorables llegará un momento en el que sus enlaces se romperán para formar átomos de oxígeno e hidrógeno libres. Acto seguido, los átomos absorben tanto calor que sus electrones comienzan a salir disparados hacia los alrededores. Así se han formado cationes de oxígeno e hidrógeno.

Estos cationes terminan envueltos en una nube de electrones, agregados por la acción de la colectividad y las atracciones electrostáticas. Se dice entonces que se ha obtenido un plasma a partir del agua.

En este caso el plasma se formó por acción de la energía térmica. Sin embargo, las radiaciones altamente energéticas (rayos gamma), así como las grandes diferencias de potenciales eléctricos, pueden inducir también su aparición.

Quasineutralidad

El plasma tiene la característica de ser quasineutral (casi neutro). Esto se debe a que el número de electrones excitados y liberados de los átomos tiende a ser igual a las magnitudes de las cargas positivas de los cationes. Por ejemplo, considérese un átomo de calcio gaseoso que pierde uno y dos electrones para formar respectivamente los cationes Ca⁺ y Ca²⁺:

Ca(g) + Energía → Ca⁺(g) + e^–

Ca⁺(g) + Energía → Ca²⁺(g) + e^–

Siendo el proceso global:

Ca(g) + Energía → Ca²⁺(g) + 2e^–

Por cada Ca²⁺ que se forme habrá dos electrones libres. Si hay diez Ca²⁺, entonces serán veinte electrones, y así sucesivamente. El mismo razonamiento aplica para cationes con magnitudes de carga más elevadas (Ca³⁺, Ca⁵⁺, Ca⁷⁺, etc.). Los cationes de calcio y sus electrones pasan a integrar un plasma en el vacío.

Propiedades físicas

El plasma por lo general tiene la apariencia de ser un gas líquido altamente conductor de la electricidad, brillante, caliente, y que responde o es susceptible a los campos electromagnéticos. De esta manera a los plasmas se les puede controlar o encerrar manipulando un campo magnético.

Tipos de plasma

Parcialmente ionizados

Un plasma parcialmente ionizado es aquel en el que los átomos no han perdido todos sus electrones, pudiendo haber inclusive átomos neutros. En el ejemplo del calcio podría ser una mezcla de cationes Ca²⁺, átomos Ca, y electrones. A este tipo de plasma se le conoce también como plasma frío.

Por otro lado, los plasmas pueden estar contenidos en recipientes o medios aislantes que impidan la difusión del calor a los alrededores.

Totalmente ionizados

Un plasma totalmente ionizado es aquel en el que sus átomos están “desnudos”, pues han perdido todos sus electrones. Por lo tanto, sus cationes tienen altas magnitudes de carga positiva.

Para el caso del calcio, este plasma estaría compuesto por cationes Ca²⁰⁺ (núcleos de calcio) y muchísimos electrones de gran energía. A este tipo de plasma se le conoce también como plasma caliente.

Ejemplos de plasma

Lámparas de plasmas y luces de neón

Las lámparas de plasma son unos artefactos que adornan de luces fantasmales cualquier dormitorio. No obstante, hay otros objetos donde podemos presenciar el estado plasma: en las famosas luces de neón, cuyo contenido de gas noble se excita por el paso de una corriente eléctrica a bajas presiones.

Rayos

Los rayos que caen de las nubes son una manifestación momentánea y súbita del plasma terrestre.

Tormentas solares

Algunas “partículas plasmáticas” se forman en la ionósfera de nuestro planeta por el bombardeo constante de las radiaciones solares. En las erupciones o coletazos del Sol vemos enormes cantidades de plasma.

Auroras boreales

En los polos de la Tierra se observa otro fenómeno relativo al plasma: las auroras boreales. Aquel fuego de coloraciones heladas recuerda que las mismas llamas de los fogones de nuestras cocinas son otro ejemplo rutinario de plasma.

Dispositivos electrónicos

El plasma también forma parte, en menores proporciones, de dispositivos electrónicos tales como los televisores y monitores.

Soldaduras y ciencia ficción

Ejemplos de plasma también los vemos en los procesos de soldadura, en los rayos láser, en las explosiones nucleares, en los sables luminosos de Star Wars; y en líneas generales, en cualquier arma que se asemeje a un cañón de energía destructiva.

Referencias

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). CENGAGE Learning.
2. Plasma Science and Fusion Center. (2020). What is plasma? Recuperado de: psfc.mit.edu
3. National Center for Atmospheric Research. (2020). Plasma. Recuperado de: scied.ucar.edu
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 de febrero de 2020). What Is Plasma Used For, and What Is It Made Of? Recuperado de: thoughtco.com
5. Wikipedia. (2020). Plasma (physics). Recuperado de: en.wikipedia.org