Hace unos meses escribí un artículo sobre el extraño descubrimiento de un nuevo estado de agregación de la materia, llamado hiperuniformidad (leer Artículo), en la retina de los pollos. Hoy me propongo hablar de otro estado de la materia, teóricamente más conocido, pero que en realidad sigue siendo un gran desconocido para la mayoría.
Tierra, Agua, Aire y Fuego. Desde la Grecia presocrática hasta la edad media, estos 4 elementos clásicos han servido para explicar los diferentes patrones de la naturaleza. También los maja bhuta (grandes elementos) del budismo representan lo mismo. Y puede que hoy en día intentar clasificar nuestro universo de esta manera nos suene a alquimia barata, pero la realidad es que hace ya mucho tiempo que sabemos que estos elementos se corresponden con los 4 estados más comunes de agregación de la materia: Sólido, Líquido, Gas y Plasma.
¿Plasma?
Sí, el cuarto estado de agregación de la materia es el plasma. Y no me estoy refiriendo al líquido que contiene los glóbulos rojos o las plaquetas en la sangre, sino a aquello de lo que está formado el Sol, las luces fluorescentes y los relámpagos.
El plasma, un gran desconocido que sin embargo representa más del 99% de la materia visible del universo. Increíble, ¿no? Pues vamos a intentar sacarlo de su triste e injusto anonimato.
El Plasma
El plasma se describe, en términos generales, como un medio gaseoso que contiene un número apreciable de cargas libres, pero que es aproximadamente neutro en su conjunto.
Dicho así puede que a muchos no les haya quedado muy claro, pero en realidad es fácil de entender. Imaginad primero un gas normal (cómo el que nos rodea o el que llena un globo de fiesta). Si hiciéramos un zoom a escala atómica veríamos que en realidad el gas normal no es más que un conjunto de moléculas sin carga neta (neutras) moviéndose en el vacío a gran velocidad (ver figura 1a). Y estas moléculas casi no interaccionan entre ellas ya que sus enlaces son muy débiles, de manera que se mueven libremente, ocupando todo el volumen que las contiene.
Pues bien, el plasma es parecido a este gas, con la diferencia de que no sólo está compuesto por moléculas neutras, sino que también contiene partículas positivas y negativas, llamadas iones (ver figura 1b). Los iones positivos son átomos que han perdido algún electrón, mientras que los iones negativos son electrones libres o átomos que han ganado algún electrón extra. Y aunque los plasmas tengan estos iones, en general no tienen una carga neta porqué a gran escala se compensan las cargas positivas con las negativas.
Entonces… ¿hay mucha diferencia entre un gas normal y un plasma?
De la explicación que acabamos de dar parecería que no, que su única diferencia es la presencia de iones cargados. Lo que sucede es que esta pequeña diferencia afecta drásticamente a su comportamiento global. Para entenderlo tenemos que recordar que las partículas que tienen carga sienten fuerzas electrostáticas: cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen. Si además estas cargas se están moviendo, aparecen fuerzas mucho más complicadas, como la electrodinámica o la magnética. Así, en el plasma ya no se cumple eso que hemos dicho sobre la poca interacción de las moléculas en un gas. Ahora aparecen efectos globales dominados por las fuerzas electromagnéticas sobre las cargas en movimiento. Y las consecuencias de estos fenómenos son muy importantes:
1. Interacción entre partículas
En los gases las partículas neutras tienen un comportamiento independiente, se mueven a gran velocidad colisionando con las paredes o entre ellas.
En los plasmas, los iones interaccionan mediante fuerzas electromagnéticas, así que aparecen comportamiento colectivo complejos.
2. Conductividad electríca
Los gases son buenos aislantes eléctricos.
Los plasmas son muy buenos conductores, pues los iones con carga se mueven bajo la acción de un campo eléctrico, creando una corriente.
Tipos de Plasma
Ya he comentado que el plasma es el estado de agregación de la materia más abundante en el universo conocido. ¡De hecho más del 99% de la materia visible lo es!
Sin embargo en la tierra no estamos muy familiarizados con él porqué en los medios relativamente densos y fríos que nos rodean las cargas libres tienen una gran tendencia a recombinarse. En realidad para crear plasma a nuestro alrededor se requieren altas energías. Ejemplos de plasmas terrestres son los relámpagos, las auroras boreales, las luces fluorescentes o los arcos de soldadura.
En cambio, en el espacio exterior casi todo es plasma: las estrellas, las nebulosas, la cola de los cometas o el medio denso en que se encuentra en el centro de las agrupaciones galácticas.
Si se quiere clasificar los diferentes tipos de plasma, conviene hacerlo en función de su densidad de electrones y de su temperatura. La densidad de electrones mide la cantidad de electrones (y de iones positivos) que hay en un centímetro cúbico. Si se observa la gráfica inferior se puede ver que esta densidad es muy baja en el espacio exterior, media en los plasmas terrestres y grande en el interior de las estrellas. Respecto a la temperatura, cabe destacar que en los plasmas estelares y en los reactores de fusión se llega a unos cien millones de grados!
Y bueno, la verdad es que podríamos llenar muchísimas más hojas sobre este interesantísimo estado de la materia. Hay tantos regímenes diferentes y se manifiestan de maneras tan diversas, que su estudio aún va a dar muchas sorpresas en el futuro. Sin embargo de momento paramos aquí. Pero tranquilos, próximamente ahondaremos en la estructura interna del Sol, la formación de los relámpagos o el funcionamiento de los motores iónicos, así que podremos seguir aprendiendo mucho del tema!
Ah, y puestos a elegir, recomiendo cambiar el plasma de la TV por el de las estrellas lejanas de vez en cuando 🙂
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