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1
Dra. Isabel TanarroDept. Física Molecular
Inst. Estructura de la Materia, CSIC
PLASMA :El cuarto estado de la materia
Semana de la Ciencia,CAM, 15 Noviembre 2018
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Indice• 1. Introducción al plasma• 2. Procesos elementales más importantes• 3. Plasmas en la naturaleza• 4. Aplicaciones tecnológicas
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3
DEFINICIÓN DE PLASMA
“Materia Gaseosa Fuertemente Ionizada, con Igual Número de Cargas Libres
Positivas y Negativas”
Diccionario de la Real Academia de la Lengua Española
Laboratorio de Plasmas Fríos, IEM-CSIC
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4
Los cuatro elementos clásicos:
Tierra, Agua, Aire, FuegoEmpédocles (~ S. V a.c., Grecia) Renacimiento (S. XV-XVI)
También aparecían en el Budismo y el Hinduismo
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Sólido Líquido Gas Plasma
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5
Ciencia Actual:ESTADOS de AGREGACIÓN de la MATERIA
Pres
ión
(Pa)
Temperatura (K)
Punto de
Fusión Punto de Ebullición
1 atmLIQUIDO
SOLIDO
H2O
GAS Diagrama de fasesdel agua
Cambios de estado por aporte de Energía Caloríficay aumento de Temperatura
SÓLIDO LÍQUIDO GAS
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6
PLASMAGAS
Otros tipos de Energía
EléctricaTérmica
LuminosaQuímica
Nuclear…
Ionización
Ng , Tg Ne, Te
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• Comportamiento independiente entre partículas• Transferencia de energía por colisiones individuales• Buen aislante eléctrico, no emite luz
DIFERENCIA ENTRE GAS Y PLASMA
Movimiento de una partícula neutra (choques individuales)
Movimiento de una carga eléctrica (acción a distancia)
Gas
• Comportamiento colectivo de iones y electrones.
• Transferencia de energía por campos electro-magnet.
• ¡Conduce la electricidad y emite luz!Plasma
7
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8
Conductividad y Emisión de una Llama.Predominio de Reacciones Químicas por Combustión.
El espectro óptico depende de la sustancia que arde.Estudios analíticos.
200 400 600 800
1
2
3Visible IR
Inte
nsid
ad
Longitud de onda (nm)
Espectros de una llama zona superior: cuerpo negro zona inferior: plasma
UV
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Plasma controlado por un campo magnético.Prof. H. Kersten (Germany) 9
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Los Plasmas en la Tierra son “afortunadamente” mucho más escasos y efímeros que Sólidos, Líquidos y Gases.
“CUARTO ESTADO DE LA MATERIA”
S. XVIII - Primeros estudios sobre rayos (B. Franklin)S. XIX – Espectroscopía en llama (R. W. Bunsen, G. R. Kirchhoff)
S. XIX - Descargas eléctricas (M. Faraday, W. Crookes)
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Pero son la materia conocida más abundantedel Universo (> 99%) : Sol, Estrellas, Nebulosas…
Se detectan fácilmente a distanciapor la luz que emiten
SOL ≈ 98% Masa del Sistema Solar
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Célula con electrodos y Alto Voltaje + Bomba de Vacío (1880)
1000 V , 1 mbar
Después del fuego, ¿cómo se logró generar los primeros plasmas? Descargas eléctricas en gases a baja presión
Siglo XIX
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Actualmente:
Grados de vacío mucho mejores.
No es imprescindible el uso de electrodos,basta la presencia de campos electromagnéticos intensos
como en un simple horno de microondas
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Plasma de Kriptón con descarga de microondasLaboratorio de Astrofísica Molecular, Observatorio Astronómico de Yebes
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Bolas de Plasma
Nicola Tesla& Mark Twain (1894)
Nicola Tesla (1856-1943)Alimentación eléctrica por corriente alterna
Transmisión inalámbrica de señales
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Bola de PlasmaInteracción a distancia con tubo fluorescente
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2ª Parte
Procesos más importantes en un plasma
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Fenómeno desencadenante del plasma
e- e-
e-
+
1. IONIZACIÓN INICIAL
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• Los electrones son acelerados por los campos electro-magnéticos aplicados y ganan energía.
2. ESTABLECIMIENTO DEL PLASMA
e-
+_
• Los electrones así acelerados, chocan con átomos y especies neutras, y producen ionización en cadena.
• Diferentes grados de ionización en distintos plasmas 1 a 10-6.
• Interrupción de energía Finalización muy abrupta 10-6 s.
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3. EXCITACIÓN ATÓMICA
4. DESEXCITACIÓN Y EMISIÓN DE LUZ
Mediante fotones de energías discretas muy determinadas e-
Causada por impacto electrónico con electrones de energías concretas
¡La luz emitida permite descubrir las especies que contiene el plasma!
Tubos Geissler, S. XIX
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Espectros de Emisión Atómica
Fe
Au
H
Espectros característicos de energías discretas: Fundamento de la Física Cuántica
Espectrocontinuo
“Luz blanca”
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5. DISOCIACIÓN MOLECULAR
Las moléculas se fragmentan en átomos y radicalesque reaccionan y forman nuevos compuestos químicos.
Así en vapor de agua se forman H2 , O2 y H2O2
e-
H2OHO
H
e-
+
Plasma: ¡ MEDIO EXTRAORDINARIAMENTE REACTIVO !
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7. REACCIONES CON LAS SUPERFICIES
El plasma arranca material de las superficies circundantes o reacciona con ellas.
Ventanas de observación recubiertas con material metálico de las paredes del reactor
Reactor de plasmaLaboratorio de Plasmas Fríos, IEM- CSIC
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6. COLISIONES ELÁSTICAS ENTRE ELECTRONES Y ÁTOMOS O MOLÉCULAS
Choque e- + Hme ~ MH /1800Apenas se transfiere energía
e-
He-
Igual masa: Intercambio de energía máximo
e-
e-
Choque e- + e-
Fuerte desequilibrio térmico entre electrones y partículas pesadas en plasmas con bajo grado de ionización < 10-3
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“PLASMAS FRÍOS”
Telect. 30.000 ºC , Tgas 40 ºCMuy importantes para multitud de aplicaciones
“PLASMAS TERMICOS o CALIENTES”
Telect. Tgas > 3000 ºC
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102 103 104 105 106 107 108 109
10-2 10-1 100 101 102 103 104 1051010
1015
1020
1025
1030
1010
1015
1020
1025
1030
Ne (
m- 3
)
E (eV)
T (K)
LRayo
Núcleo Solar
Núcleo de Reactor de Fusión
Aurora Nebulosa de Plasma
LLama
Foco de láser
Arco Eléctrico
Conductores Solidos y Líquidos
EspacioInterplanetario
Corona Solar
Fotosfera Solar
Núcleo de Júpiter
Cristal de Si
Fusion: Borde del plasma
Descarga Luminiscente
PLASMAS
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3ª Parte : PLASMAS en la NATURALEZA
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13.7 billions years
DENSE PLASMA (e‐ H+ He+) “Dark Ages”
3th Generation of StarsMolecules, Life
Fusion in Stars: New Elements
BIG BANG
109
3000
15
2.7
T (K)
1016
1028
1032
LIGHT + H + He
28
Cosmic MW Background
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Varias de las especies detectadas (iones, radicales) son muy reactivas y no existen en Tierra, pero pueden producirse en plasmas de laboratorio.
200 especies moleculares detectadas en el espacio desde 1940 (CH, CN) hasta hoy en día (C60, C70)
Sinergia entre observaciones astrofísicas (visible, infrarojo, radio…), experimentos de laboratorio y predicciones teóricas.
Estudios de interés astrofísico en el Dpto. Física Molecular, IEM-CSIC:
Laboratorio de Plasmas Fríos, IEM- CSIC
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IEM & IFF (CSIC) - Observatorio Astronómico de Yebes (Guadalajara) Proyecto Europeo Nanocosmos (2014-2020)
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Mayo 20182015-2017
Espectroscopía de ondas de radio (mm)
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100 escalones
Anteriores campañas (2015-2017)Radiotelescopio de Yebes de 40 m
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Fotosfera: T =6.000 K Luz Visible Núcleo: T = 15 106 K, Gas totalmente ionizado (70% H, 28% He)Densidad 150 g/cm3 (¡10 veces la del Pb!)
2. El Sol
Masa: 3 1024 kg. Edad : 4,5x109 años. Hasta 1938, edad estimada 106
años y calentamiento por compresión gravitatoria (W. Thompson,1824-1907) Controversia con C. Darwin (1809-1892): La Tierra, demasiado joven
para dar lugar a la Evolución de las Especies.
1938 : Nucleosíntesis Estelar (H. Bethe, 1906-2005, Nobel 1.968)
600 MTm/s H 596 MTm / s He + 4 x 1020 MW ( E = mc2 )Sobre la Tierra inciden 500 W / m2 (UV-visible-IR)
Persisten importantes incógnitas (magnetismo, sismología solar…)Inst. de Astrofísica de Canarias 33
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3. Ionosfera TerrestreProducida por la radiación solar de alta energía (rayos X y UV)
Baja Ionización < 10-3 , Altitud ~ 60 - 1000 km
Los plasmas, como los metales, reflejanla radiación electromagnética
Descubierta por Marconi en 1901 :Reflexión y Transmisión de Ondas de Radio de Largo Alcance
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Auroras Boreales y Australes
Altitud > 100 km ( Ionosfera )Latitudes (norte, sur) > 60°Mas intensas cada 11 años : ciclo solar
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Voltaje 1.000 MVCorriente 10.000 ADuración 10 s - 100 ms
4. Rayos
¡ P > 1012 W !
Entre nube, cargada por rozamiento de partículas de hielo, y tierra (conductora), o entre nube y nube.
Plasma Ionizado al 100% , T 30.000 K
…de B. Franklin (1752), inventor del pararrayos,… a N. Tesla (1900)Interés posterior originado por daños causados en tendido eléctrico
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Efectos luminosos transitorios (TLE) en la Mesosfera Terrestre
Entre nube y ionosfera conductora Observados por primera vez en 1990 (NASA Space Shuttle).
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Videos de Sprites (“duendes”). Cámara normal y cámara -rápida 38
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4ª Parte
APLICACIONES CIENTÍFICAS Y TECNOLÓGICAS
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40
PLASMAS FRÍOS
Laboratorio de Plasmas Fríos, IEM- CSIC
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41
Iluminación por Plasma
Lámparas fluorescentes de bajo consumo.
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42
Esterilización por plasma
Doble acción bactericida:• Radiación ultravioleta.• Radicales fuertemente oxidantes.
Esterilización de materialesque no soportan altas temperaturas.
Material médico y quirúrgico, envases de alimentos…
Tratamientos médicos y biológicos
En fase de experimentación (cicatrización de heridas, tratamiento de tumores cutáneos, desinfección alimentaria, aplicaciones germicidas (U. Córdoba )
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43
Microelectrónica
Fabricación de circuitos Magnetrón
3 institutos del CSIC de Microelectrónica: Madrid, Sevilla, BarcelonaISOM (ETSIT, UPM)
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Ingeniería de superficiesCambio drástico en propiedades superficiales de materiales.
Dureza, resistencia al rozamiento o al ataque químico, impermeabilidad, propiedades ópticas, biocompatibilidad…
Tejidos tratados con plasma, que repelen la humedad
y las grasasMicrocristales de diamante producidos por plasma para
recubrir herramientas de corte
Prótesis metálica de rodilla cubierta de
material biocompatible
4 Institutos del CSIC de Ciencia de Materiales: Madrid, Sevilla, Zaragoza, Barcelona
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Motores Iónicos para Propulsión Espacial
Sonda Lunar “Smart-1” de la Agencia Espacial Europea (ESA). Lanzada en Agosto de 2006Mucho menos combustible que un motor químico.
Desarrollo de último modelo (Plasma Helicon, 2018).Acuerdo ESA - SENER -Universidad Carlos III de Madrid.
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PLASMAS CALIENTES
Llamarada solar
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Reactores de Fusión Termonuclear
Consumo de combustible para una persona en un país industrializado durante toda su vida:
10 g Deuterio ( en 0,5 m3 H2O ) + 30 g Li necesario para producir Tritio
T = 108 K ¡Mayor que en el núcleo solar!Baja presión 10-2 mbar
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Fusión por Confinamiento Magnético “Tokamak”
“Joint European Torus” (JET, Inglaterra, desde 1965)
28 países europeos
“International Thermonuclear Experimental Reactor” (ITER, Francia)
Previsible final de construcción, 2024.
Alta participación española
Unión Europea, USA, China, India, Japan, Korea, Russia
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Reactor experimental TJ-IILaboratorio Nacional de Fusión, CIEMAT, Madrid
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National Ignition Facility (Livermore, USA)
Fusión por Confinamiento Inercial “Fusión por Láser”
Combustible
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Resumen y conclusiones
• Naturaleza del plasma frente a los otros estados de agregación.
• Existencia de cargas libres (), globalmente neutro .
• Mecanismos microscópicos.
• Propiedades: emisión de luz, conductividad, interacción con
campos electromagnéticos, enorme reactividad química.
• Plasmas en la naturaleza (más del 99% de la materia conocida)
• Aplicaciones científicas y tecnológicas(plasmas fríos / plasmas
calientes), desde la llama al reactor de fusión termonuclear.
Los plasmas constituyen la mayor parte de la materia conocida del universo, son muy fascinantes y llamativos, y por sus aplicaciones representan un papel cada vez más importante en nuestras vidas.
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¡ Muchas gracias !
Laboratorio de Plasmas Fríos. IEM (CSIC)