Explicación de los plasmas

Vivimos felizmente en la atmósfera inferior gaseosa de la Tierra, compuesta por una mezcla de gases, principalmente nitrógeno y oxígeno. Sin embargo, si nos desplazamos hacia arriba desde la superficie de la Tierra, el entorno cambia y ya no se ajusta a esta descripción. A unos 80 km por encima de la superficie de la Tierra, la atmósfera ya no está formada por gases. En su lugar, está formada por gas ionizado, que consiste en una mezcla equilibrada de electrones, iones positivos y partículas neutras. Este estado se denomina plasma. Conocido comúnmente como el «cuarto estado de la materia», en opinión de muchos astrofísicos, es el «primer» estado, ya que fue el primero en formarse inmediatamente después del Big Bang.

Para crear plasma, se necesita energía para extraer los electrones de los átomos. La energía puede ser de varias formas: calor, electricidad o luz (luz ultravioleta o luz visible intensa de un láser). Si la energía de mantenimiento es insuficiente, los plasmas se recombinan en gas neutro.

Más allá del espacio, todo el gas se ioniza, y es la radiación electromagnética altamente energética del Sol, que a su vez está hecho de plasma, la responsable de este proceso de ionización. Por tanto, el espacio está dominado por el plasma. De hecho, el 99% de la materia del universo conocido es plasma.

Formas de plasma

Los plasmas se producen de forma natural pero también se pueden fabricar artificialmente. Los plasmas naturales pueden estar en la Tierra (terrestres) o en el espacio (astrofísicos). Los plasmas artificiales se han desarrollado para satisfacer las necesidades de una amplia gama de industrias de fabricación y revestimientos especializados.

Ejemplos de tres formas de plasma

Propiedades del plasma

El plasma es el estado de mayor energía de la materia. Está formado por un conjunto de electrones en movimiento libre, iones positivos y partículas neutras. Aunque está estrechamente relacionado con la fase gaseosa en el sentido de que no tiene una forma ni un volumen definidos, difiere en varios aspectos:

• El plasma tiene una conductividad eléctrica muy elevada.
• El plasma se ve más fácilmente influenciado por los campos eléctricos y magnéticos que por la gravedad
• El movimiento de electrones e iones en el plasma produce sus propios campos eléctricos y magnéticos.
• Debido al estado totalmente caótico y altamente energético de las partículas constituyentes del plasma, éste produce su propia radiación electromagnética.

Para producir y mantener el estado altamente energético que existe dentro del plasma, debe haber un suministro continuo de energía.

Plasma artificial – caliente y frío

El plasma caliente o térmico se produce en arcos atmosféricos, chispas y llamas. El plasma altamente ionizado está formado por un gran número de electrones e iones positivos, siendo la temperatura de ambos extremadamente alta. Dependiendo de su potencia, los sopletes para cortar plasma funcionan a temperaturas muy altas, entre 5000 y 10 000°C.

El plasma frío o no térmico está menos ionizado, y aunque los electrones están a alta temperatura, los iones positivos y las partículas neutras están a una temperatura más baja. Cuando se enciende un tubo de iluminación fluorescente, se crea plasma frío (a temperatura ambiente) dentro del tubo.

Usos del plasma artificial

Los usos del plasma térmico abarcan una serie de industrias que incluyen la iluminación, los revestimientos y la fabricación y purificación de metales. Algunos ejemplos son:

• Las luces de arco de haluro metálico utilizadas en la iluminación
• Procesos de recubrimiento con plasma que permiten depositar recubrimientos resistentes al desgaste y al calor en superficies seleccionadas
• El uso de arcos eléctricos para el corte y la soldadura de metales.

A medida que los científicos han ido comprendiendo mejor la estructura y las propiedades del plasma, las nuevas tecnologías han evolucionado dando lugar a una rápida expansión de los usos del plasma frío o no térmico. Por ejemplo, en la fabricación de componentes informáticos, se utilizan procesos como la deposición química de vapor mejorada por plasma y el grabado para fabricar circuitos integrados. Los procesos de plasma de este tipo han sido fundamentales para el diseño y la fabricación de los potentes y compactos ordenadores y teléfonos móviles de uso común.

Otros ejemplos de usos del plasma frío son:

• Iluminación con tubos fluorescentes
• Televisores de plasma
• Control medioambiental: reducción de las emisiones de gases contaminantes
• Juguetes de bolas de plasma.

Funcionamiento de los televisores de plasma

La pantalla plana consiste en dos paneles de vidrio transparente que intercalan una fina capa de píxeles. Cada píxel está formado por tres celdas llenas de gas. El gas es una mezcla de neón y xenón. Cada célula está pintada por dentro con un fósforo que, al ser estimulado, emite luz visible roja, verde o azul. Una red de pequeños electrodos permite suministrar corriente eléctrica a cada célula del píxel. Cuando fluye la corriente, el gas de la célula se ioniza hasta alcanzar un estado de plasma y, como resultado, se emite luz ultravioleta. El fósforo que recubre las paredes de la célula absorbe esta luz UV y es estimulada para emitir luz visible, ya sea roja, verde o azul.

El número de píxeles de una pantalla de plasma depende de la resolución de la pantalla. Una pantalla de plasma con una resolución de 1280 x 720 tiene 1280 x 720 = 921.600 píxeles. Cada píxel tiene tres celdas, por lo que el plasma de resolución 1280 x 720 tiene 3 x 921.600 = 2.764.800 celdas individuales.

Al variar los pulsos de corriente que fluyen a través de las diferentes celdas, el sistema de control puede aumentar o disminuir la intensidad del color de cada celda para crear cientos de combinaciones diferentes de rojo, verde y azul. De este modo, el sistema de control puede producir colores en todo el espectro.