Parámetros de un plasma

Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con características diversas, la primera tarea de la física del plasma es definir apropiadamente los parámetros que deciden el comportamiento de un plasma. Los principales parámetros son los siguientes:

Neutralidad y especies presente

El plasma está formado por igual número de cargas positivas y negativas, lo que anula la carga total del sistema. En tal caso se habla de un plasma neutro o casi-neutro. También existen plasmas no neutros o inestables, como el flujo de electrones dentro de un acelerador de partículas, pero requieren algún tipo de confinamiento externo para vencer las fuerzas de repulsión electrostática.

Los plasmas más comunes son los formados por electrones e iones. En general puede haber varias especies de iones dentro del plasma, como moléculas ionizadas positivas (cationes) y otras que han capturado un electrón y aportan una carga negativa (aniones).

Longitudes[editar]

La longitud de Debye o de apantallamiento electromagnético.¹¹​ También la longitud de una onda plasmática depende del contenido cóncavo de su recipiente, el cual influye porque su paralelismo con respecto del eje x sobre la tierra afecta la longitud de dicha onda de espectro electromagnético.^{[cita requerida]}

La frecuencia de plasma

Así como la longitud de Debye proporciona una medida de las longitudes típicas en un plasma, la frecuencia de plasma (${\displaystyle \omega _{p}}$) describe sus tiempos característicos. Supóngase que en un plasma en equilibrio y sin densidades de carga se introduce un pequeño desplazamiento de todos los electrones en una dirección. Estos sentirán la atracción de los iones en la dirección opuesta, se moverán hacia ella y comenzarán a oscilar en torno a la posición original de equilibrio. La frecuencia de tal oscilación es lo que se denomina frecuencia de plasma. La frecuencia de plasma de los electrones es:¹²​

${\displaystyle \omega _{pe}=(n_{e}e^{2}/m_{e}\varepsilon _{0})^{1/2}\,}$

donde ${\displaystyle m_{e}}$ es la masa del electrón y ${\displaystyle e}$ su carga.

Temperatura: velocidad térmica

Los relámpagos son un plasma que alcanza una temperatura de 27.000 °C.

Por lo general las partículas de una determinada especie localizadas en un punto dado no tienen igual velocidad: presentan por el contrario una distribución que en el equilibrio térmico es descrita por la distribución de Maxwell-Boltzmann. A mayor temperatura, mayor será la dispersión de velocidades (más ancha será la curva que la representa).

Una medida de tal dispersión es la velocidad cuadrática media que, en el equilibrio, se denomina también velocidad térmica. Es frecuente, aunque formalmente incorrecto, hablar también de velocidad térmica y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinámico.^{[cita requerida]} En tal caso, se menciona la temperatura que correspondería a una velocidad cuadrática media determinada. La velocidad térmica de los electrones es:

${\displaystyle v_{Te}=(kT_{e}/m_{e})^{1/2}\,}$

El parámetro de plasma

El parámetro de plasma (${\displaystyle \Gamma }$) indica el número medio de partículas contenidas en una esfera cuyo radio es la longitud de Debye (esfera de Debye). La definición de plasma, según la cual la interacción electromagnética de una partícula con la multitud de partículas distantes domina sobre la interacción con los pocos vecinos próximos, puede escribirse en términos del parámetro de plasma como ${\displaystyle \Gamma \gg 1}$.¹³​¹⁴​ Esto es: hay un gran número de partículas contenidas en una esfera de Debye. Es común referirse a esta desigualdad como "condición de plasma".

Algunos autores adoptan una definición inversa del parámetro de plasma (${\displaystyle g=1/\Gamma }$), con lo que la condición de plasma resulta ser ${\displaystyle g\ll 1}$.¹⁵​

El parámetro de plasma de los electrones es:

${\displaystyle \Gamma =(4\pi /3)n_{e}\lambda _{D}^{3}\,}$

https://es.wikipedia.org/wiki/Plasma_(estado_de_la_materia)

Plasma (estado de la materia)

Una lámpara de plasma.

Tormenta eléctrica.

Las luces de neón generan luz gracias al plasma que hay en su interior.

Una pista de plasma de transbordador espacial Atlantis durante la reentrada en la atmósfera de la Tierra, como se ha visto desde la Estación Espacial Internacional.

Mecánica de medios continuos.

En física y química, se denomina plasma (del latín plasma, y del griego πλάσμα, formación) al cuarto estado de agregación de la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas, están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético, por eso son buenos conductores eléctricos y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance.¹​

El plasma tiene características propias que no se dan en los sólidos, líquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregación de la materia. Como el gas, el plasma no tiene una forma o volumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor; pero a diferencia del gas en el que no existen efectos colectivos importantes, el plasma bajo la influencia de un campo magnético puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas dobles.²​ Los átomos de este estado se mueven libremente; cuanto más alta es la temperatura más rápido se mueven los átomos en el gas, y en el momento de colisionar la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones.³​

Calentar un gas puede ionizar sus moléculas o átomos (reduciendo o incrementado su número de electrones para formar iones), convirtiéndolo en un plasma.⁴​ La ionización también puede ser inducida por otros medios, como la aplicación de un fuerte campo electromagnético mediante un láser o un generador de microondas, y es acompañado por la disociación de los enlaces covalentes, si están presentes.⁵​

El plasma es el estado de agregación más abundante de la naturaleza, y la mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma, la mayoría del cual es el enrarecido plasma intergaláctico (particularmente el centro de intracúmulos) y en las estrellas.⁶​

Ejemplos de plasmas

El sol quizás sea el ejemplo de plasma más identificable.

Algunos ejemplos de plasmas son:⁷​

Formas comunes de plasma

Producidos artificialmente	Plasmas terrestres	Plasmas espaciales y astrofísicos:
En los televisores o monitores con pantalla de plasma. En el interior de los tubos fluorescentes (iluminación de bajo consumo).8​ En soldaduras de arco eléctrico bajo protección por gas (TIG, MIG/MAG, etc.) Materia expulsada para la propulsión de cohetes. La región que rodea al escudo térmico de una nave espacialdurante su entrada en la atmósfera. El interior de los reactores de fusión. Las descargas eléctricas de uso industrial. Las bolas de plasma.	Los rayos durante una tormenta. El Fuego de San Telmo. La ionosfera. La aurora boreal. Algunas llamas.9​ El viento polar, una fuente de plasma.	El Sol y otras estrellas (Plasmas calentados por fusión nuclear). Los vientos solares. El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias). Los discos de acrecimiento. Las nebulosas intergalácticas. Ambiplasma

Aplicaciones

Las LCF son ejemplo de aplicación del plasma.

La física de plasmas puede encontrar aplicación en diversas áreas:¹⁰​

• Descargas de gas (electrónica gaseosa).
• Fusión termonuclear controlada.
• Física del espacio.
• Astrofísica moderna.
• Conversión de energía de MHD (magnetohidrodinámica) y propulsión iónica.
• Plasmas de estado sólido.
• Láseres de gas.
• Tubos de Neón

https://es.wikipedia.org/wiki/Plasma_(estado_de_la_materia)

Movimiento circular uniforme

En física, el movimiento circular uniforme (también denominado movimiento uniformemente circular) describe el movimiento de un cuerpo atravesando con una rapidez constante y una trayectoria circular.

Aunque la rapidez del objeto y la magnitud de su velocidad son constantes en cada instante cambia de dirección. Esta circunstancia implica la existencia de una aceleración que, si bien en este caso no varía al módulo de la velocidad, sí varía su dirección.

Cinemática del MCU en mecánica clásica

Ángulo y velocidad angular

El ángulo abarcado en un movimiento circular es igual al cociente entre la longitud del arco de circunferencia recorrida y el radio.

La longitud del arco y el radio de la circunferencia son magnitudes de longitud, por lo que el desplazamiento angular es una magnitud adimensional, llamada radián. Un radián es un arco de circunferencia de longitud igual al radio de la circunferencia, y la circunferencia completa tiene ${\displaystyle 2\pi \,}$ radianes.

La velocidad angular es la variación del desplazamiento angular por unidad de tiempo:

${\displaystyle \omega ={\frac {\mathrm {d} \varphi }{\mathrm {d} t}}}$

Partiendo de estos conceptos se estudian las condiciones del movimiento circular uniforme, en cuanto a su trayectoria y espacio recorrido, velocidad y aceleración, según el modelo físico cinemático yhii.

Posición[editar]

Se considera un sistema de referencia en el plano x,y, con vectores unitarios en la dirección de estos ejes ${\displaystyle ({\text{O}};\mathbf {i} ,\mathbf {j} )}$. La posición de la partícula en función del ángulo de giro ${\displaystyle \varphi }$ y del radio r es en un sistema de referencia cartesiano x,y:

${\displaystyle {\begin{cases}x=r\cos \varphi \\y=r\sin \varphi \end{cases}}}$

De modo que el vector de posición de la partícula en función del tiempo es:

${\displaystyle \mathbf {r} =r\cos(\omega t)\mathbf {i} +r\sin(\omega t)\mathbf {j} }$

siendo:

${\displaystyle \mathbf {r} \;}$: es el vector de posición de la partícula.

${\displaystyle r\;}$: es el radio de la trayectoria.

Al ser un movimiento uniforme, a iguales incrementos de tiempo le corresponden iguales desplazamientos angulares, lo que se define como velocidad angular (ω):

${\displaystyle \omega ={\frac {\mathrm {d} \varphi }{\mathrm {d} t}}={\frac {\varphi }{t}}\qquad \Rightarrow \qquad \varphi =\omega {t}}$

El ángulo (φ), debe medirse en radianes:

${\displaystyle \varphi ={\frac {s}{r}}}$

donde s es la longitud del arco de circunferencia

Según esta definición:

1 vuelta = 360° = 2 π radianes

½ vuelta = 180° = π radianes

¼ de vuelta = 90° = π /2 radianes

Velocidad tangencial

La velocidad se obtiene a partir del vector de posición mediante derivación tangencial:

${\displaystyle \mathbf {v} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {r} }{\mathrm {d} t}}=-r\omega \sin(\omega t)\mathbf {i} +r\omega \cos(\omega t)\mathbf {j} }$

La relación entre la velocidad angular y la velocidad tangencial es:

${\displaystyle {v}=|\mathbf {v} |={\sqrt {(-r\omega \sin(\omega t))^{2}+(r\omega \cos(\omega t))^{2}}}=\omega r}$

El vector velocidad es tangente a la trayectoria, lo que puede comprobarse fácilmente efectuando el producto escalar ${\displaystyle \mathbf {r} \cdot \mathbf {v} }$ y comprobando que es nulo.

Aceleración

La aceleración, que para el movimiento circular uniforme es siempre normal, se obtiene a partir del vector velocidad con la derivación:

${\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}=-r\omega ^{2}\cos(\omega t)\mathbf {i} -r\omega ^{2}\sin(\omega t)\mathbf {j} }$

de modo que

${\displaystyle \mathbf {a} =-\omega ^{2}\mathbf {r} }$

Así pues, el vector aceleración tiene dirección opuesta al vector de posición, normal a la trayectoria y apuntando siempre hacia el centro de la trayectoria circular, por lo que acostumbramos a referirnos a ella como aceleración normal o centrípeta.

El módulo de la aceleración es el cuadrado de la velocidad angular por el radio de giro, aunque lo podemos expresar también en función de la celeridad ${\displaystyle v\,}$ de la partícula, ya que, en virtud de la relación ${\displaystyle v=\omega r\,}$, resulta

${\displaystyle a=|\mathbf {a} |=\omega ^{2}r={\frac {v^{2}}{r}}}$

Esta aceleración es la única que experimenta la partícula cuando se mueve con rapidez constante en una trayectoria circular, por lo que la partícula deberá ser atraída hacia el centro mediante una fuerza centrípeta que la aparte de una trayectoria rectilínea, como correspondería por la ley de inercia.

Movimiento circular y movimiento armónico

En dos dimensiones la composición de dos movimientos armónicos de la misma frecuencia y amplitud, convenientemente desfasados, dan lugar a un movimiento circular uniforme. Por ejemplo un movimiento bidimensional dado por las ecuaciones:

${\displaystyle x(t)=R_{0}\sin(\omega t+\pi /2),\qquad y(t)=R_{0}\sin(\omega t)}$

El momento angular puede calcularse como:

${\displaystyle L=xp_{y}-yp_{x}=m(xv_{y}-yv_{x})=m\omega R^{2}}$

De hecho las órbitas planetarias circulares pueden entenderse como la composición de dos movimientos armónicos según dos direcciones mutuamente perpendiculares.

Período y frecuencia

El período ${\displaystyle T\,}$ representa el tiempo necesario para que el móvil complete una vuelta y viene dado por:

${\displaystyle T={\frac {2\,\pi }{\omega }}}$

La frecuencia ${\displaystyle f\,}$ mide el número de revoluciones o vueltas completadas por el móvil en la unidad de tiempo y viene dada por:

${\displaystyle f={\frac {\omega }{2\,\pi }}}$

Por consiguiente, la frecuencia es la inversa del período:

${\displaystyle f={\frac {1}{T}}}$