La Electricidad Y La Generación De Plasmas
yin_g218 de Noviembre de 2013
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La electricidad
y la generación
de plasmas
Jesús Pedro Torres Castro
Becario de FPDI del III de la Junta
de Andalucía. Departamento de Física.
Universidad de Córdoba
Antonio Sola Díaz
Profesor Titular de Universidad.
Departamento de Física.
Universidad de Córdoba.
Antonio José Gamero Rojas
Profesor Titular de Universidad.
Departamento de Física.
Universidad de Córdoba.
que es conductor, se mantiene eléctricamente
neutro como ocurre en los electrolitos (existen
teorías y modelos comunes en la física
de plasmas y en la químico-física de disoluciones
electrolíticas).
A modo de ejemplo, en la Figura 1 se representan
algunos plasmas típicos, tanto naturales
como artificiales, en un diagrama de
temperatura electrónica (una medida de la
energía media del gas de electrones) frente a
la densidad de electrones.
De hecho, el medio interestelar es plasma.
Vivimos actualmente en un Universo compuesto
de plasma al menos en un 99% de la
materia conocida, aunque el plasma sea bastante
inusual en la Tierra que los humanos
conocemos. Este hecho, puesto de manifiesto
cuando la astronomía pudo estudiar el
cielo más allá del espectro visible de la luz,
llevó a Hannes Alfvén, Nobel de Física en
1970 por su trabajo pionero en Física de
Plasmas, a denominar nuestro universo como
Universo de plasma. El plasma es pues el
cuar to estado de la materia, aunque bien
merecería considerarse el primero, pues es
el estado originario de nuestro Universo, y
aún hoy la materia que lo rellena es plasma
en gran parte.
Por lo dicho hasta ahora, están claras las
implicaciones fundamentales y el interés
que conlleva el estudio de los plasmas. Sus
aplicaciones prácticas son ya muchas en la
actualidad en la tecnología o la industria, y
en los próximos años lo serán aún más.
Pueden usarse en técnicas como la deposición
(de hasta micro-capas monomoleculares),
pulverización por plasma, construcción
de micro-estructuras y MEMS (Micro Electro
Mechanical Systems), en litografía, en lámparas
e iluminación, en destrucción eficaz de
residuos, para limpieza microscópica de todo
tipo de superficies, tratamiento de aguas, en
metalurgia, en reactores nucleares (Tokamak,
etc.) y en su potencial uso para la fusión
termonuclear controlada, y un potencial largo
etcétera en parte por descubrir. Para el
conocimiento científico de nuestro mundo
y desarrollo de múltiples aplicaciones, es
necesario conocer bien los plasmas, saber
sus características y cómo se comporta bajo
determinadas condiciones. El plasma es un
sistema complejo que nos suscita muchos
interrogantes.
Además de estudiar los plasmas presentes
en la naturaleza, es necesario su estudio en
el laboratorio y su creación controlada para
aplicaciones técnicas. Para que se cree y se
mantenga un plasma, es necesario alimentar
el sistema con energía para compensar las
pérdidas y el enfriamiento del plasma. En caso
contrario puede tender a cambiar de fase
convirtiéndose en gas común, no ionizado.
Pero calentar la materia no es el modo más
sencillo de obtener un plasma en laboratorio,
sino acoplando energía eléctrica o electromagnética
a un gas neutro de forma
eficaz. Esto es, producir una descarga eléctrica
en dicho gas.
Existe una multiplicidad de formas de usar
la energía eléctrica y electromagnética para
producir y mantener una descarga gaseosa
de plasma, y en este artículo nos proponemos
hacer un repaso de las mismas, a la vez
que presentar los dispositivos capaces de
transferir ventajosamente esta energía al
plasma creado.
La energía eléctrica
y la generación de plasmas
Para generar un plasma es necesario aportar
energía al sistema, normalmente gaseoso.
Es posible generar plasma mediante energía
calorífica, como en una llama ordinaria donde
el calor proviene de reacciones químicas de
Figura 1. Diagrama de tipos de plasma
La electricidad y la generación de plasmas 35
Temperatura electrónica (K)
Densidad electrónica (m-3)
1010
108
106
104
102
105 1010 1015 1020 1025 1030 1035
viento
solar
Van
Allen
Fusión
Sólidos
Enanas
blancas
Interior
estrellas
Corona solar
Ionosfera Llama
Descargas
baja presión
Descargas
alta presión
Confinamiento
inercial
Interestelar
Experimentos
fusión
Tabla 1. Principales dispositivos para generación de plasmas
a partir de energía eléctrica
Energía
eléctrica
en
plasmas
corriente
continua
campos alternos
estacionaria
pulsada o interrumpida
alta frecuencia
o radio
frecuencia (RF)
microondas
columna positiva, etc
plasma focus, etc
ICP (acoplo inductivo)
CCP (acoplo capacitativo)
helicón, barrera dieléctrica, etc
surfatrón,TIA, SLAN, etc
combustión.También es posible hacerlo mediante
fuertes compresiones adiabáticas de un
gas. Un rayo intenso de fotones (láser) o de
partículas (neutras o cargadas) incidiendo sobre
un gas también puede generar un plasma
transfiriendo energía por colisiones atómicas.
Pero la forma más usual de crear un plasma
es acoplando energía eléctrica o electromagnética
a un gas en principio neutro. En
todo gas existe una pequeña cantidad de
electrones libres, creados por la radiación
cósmica o radioactividad natural, y otros
electrones que se liberan en presencia del
campo eléctrico externo aplicado. Estas partículas
cargadas negativamente pueden ganar
energía de este campo eléctrico y provocar,
por medio de colisiones en avalancha con las
demás partículas del gas, la aparición de nuevos
átomos ionizados, emisión de luz y multitud
de procesos. Por otro lado, se establecerán
también mecanismos de pérdida de
partículas cargadas libres (difusión, recombinación,
etc.) así como transportes de energía
que impliquen pérdidas. Si la aportación de
energía eléctrica o electromagnética externa
es suficiente, se puede alcanzar un balance
entre ambos tipos de procesos (de pérdidas
y ganancias) y el plasma generado se mantendrá
en el tiempo de forma estacionaria.
Por lo general, la forma en que la energía
eléctrica pasa al plasma es a través de los
electrones, mucho más ligeros que cualquier
resto atómico o molecular ionizado. Por ello
pueden ser acelerados por un campo electromagnético
de forma más eficaz, y luego
mediante colisiones repar tir la energía al
resto de par tículas del plasma.Veamos las
principales formas en las que esto se puede
conseguir (Tabla 1).
I) Descargas en corriente continua (DC)
Normalmente el dispositivo es un compartimento
estanco (pero con posibilidad de
crear flujo de gas si se requiere) donde el gas
se encuentra entre dos electrodos. Aplicando
una diferencia de potencial entre los electrodos
por encima de cierto valor umbral o
de disrupción que depende del tipo de gas
plasmógeno, de las características geométricas
del sistema y de la presión de llenado, es
posible la generación y el mantenimiento de
la descarga en dicho gas.
El tipo de descarga creada puede clasificarse
según la diferencia de potencial que se
aplica entre los electrodos y la correspondiente
corriente eléctrica que circula por el
sistema (corriente interelectródica), de
acuerdo al esquema mostrado en la Figura 2.
En principio se genera una intensidad interelectródica
que aumenta con el voltaje,
hasta llegar a formarse una descarga oscura
de Towsend, donde el voltaje entre los electrodos
varía poco aunque lo haga la corriente.
Cuando el voltaje alcanza el valor de ruptura
del gas, la conductividad del gas aumenta
significativamente. Aparece entonces una
transición en la que la tensión disminuye y la
intensidad aumenta. En esta situación la excitación
de los átomos y moléculas del gas es
tan elevada que hace visible la descarga
(región luminiscente normal). En esta zona la
tensión a través de la descarga es prácticamente
independiente de la intensidad sobre
varios órdenes de magnitud.
Cuando la densidad de corriente sobre el
cátodo es muy alta, el bombardeo de los
iones (positivos) calienta lo suficiente el cátodo,
produciéndose
...