Universidad de la Serena 2010 Introducción a la Ingeniería Civil Mecánica



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El Plasma

  • Universidad de la Serena 2010
  • Introducción a la Ingeniería Civil Mecánica

Abstract Plasma is considered the fourth state of matter because it is a gas, but in ionized state, i.e. due different reasons the gas electrons have been separated from their atoms, thus becoming conductor of electric current. There are different types of plasmas, these differ from each other, according to how they were created and the different places where they are. For example: -Common plasma: it is the name given to all plasmas that are used in different processes. -Ionospheric plasma: this type of plasma is found in the ionosphere. -Solar plasma: is in the solar atmosphere due to the high temperatures of the sun. - Plasma of nucleons: these plasmas are created in a supernova. Plasma has various applications and uses, among which we find: -Plasma-cutting. -Fluorescent lamps. -Plasma TVs. -Plasma-lamp. - Optimization of contact lenses. -Cleaning of surfaces. -Toxic waste disposal. - Fabric Treatment. - Ionic Nitriding.

  • Definición
  • Una de las definiciones de plasma es: "El plasma es un conjunto cuasi neutral de partículas con portadores libres de carga eléctrica, el cual desarrolla comportamiento colectivo".
  • Comencemos por aclarar que el plasma es un gas ionizado, es decir los átomos que lo componen se han separado parcial o totalmente de sus electrones a causa de campos eléctricos, magnéticos, una elevada temperatura o presión. Esta es la principal razón por la cual se diferencia el plasma de un gas, ya que en un gas común los electrones se encuentran sujetos al átomo, es decir, no contiene portadores de carga libres.
  • Al decir que se trata de un conjunto cuasi neutral de partículas, se refiere a que un cierto volumen de plasma tiene aproximadamente la misma cantidad de partículas positivas y negativas, por lo que es “casi” neutro.
  • Por comportamiento colectivo se entiende que si se genera un campo magnético o eléctrico en un sector cualquiera del plasma, a causa del constante movimiento de sus partículas, este afectara al plasma como conjunto.
  • Tipos de plasma
  • Plasma común
  • Plasma solar
  • Plasma de nucleones
  • Plasma ionosférico
  • Plasma Común
  • El total o una cantidad parcial de electrones se han separado del núcleo atómico.
  • Los electrones libres son responsables de las características plasmáticas de la sustancia en cuestión (como por ejemplo la conductividad del plasma). Un ejemplo de este tipo de plasma son los relámpagos.

Plasma solar

  • Plasma solar
  • En la atmósfera solar, una gran parte de los átomos están permanentemente ionizados, debido a que las altas temperaturas existentes en el sol causan que los átomos del gas que circula alrededor se muevan a muy altas velocidades colisionando violentamente entre si .
  • A causa de estas violentas colisiones se liberan electrones de los núcleos, ionizándose así el gas y convirtiéndose en plasma.

Plasma de nucleones

  • Plasma de nucleones
  • Encontramos este tipo de plasma en las capas exteriores de una supernova.
  • Las supernovas ocurren cuando una estrella masiva como nuestro propio Sol, agota el combustible nuclear que la mantiene activa, y las inmensas fuerzas gravitatorias que ejerce hacen colapsar su materia.
  • Esto genera una onda de choque de gas a una elevada presión, lo cual produce que los electrones del gas se separen de los núcleos atómicos creándose plasma.

Plasma ionosférico

  • Plasma ionosférico
  • La ionosfera consta de tres capas; la capa D, E y F, las cuales se encuentran en estado plasmático.
  • Cuando las capas D (más cercana a la tierra) y E (refleja ondas de radio) reciben los rayos de la luz solar de corta longitud de onda, desde la ultravioleta a los rayos X, los electrones se separan de los átomos obteniéndose plasma. Durante la noche estas capas desaparecen ya que no reciben rayos provenientes del sol, siendo la capa F la única capa disponible para las comunicaciones .
  • Aplicaciones y usos
  • Corte por plasma
  • Televisor plasma
  • Lámpara de plasma
  • Mejoramiento de lentes de contacto
  • Limpieza de superficies
  • Eliminación de desechos tóxicos
  • Nitruración iónica

Corte por plasma

  • Corte por plasma
  • En el corte por plasma se establece un arco eléctrico, el cual ioniza el gas circundante (se genera plasma). El plasma obtenido se estrangula haciéndolo pasar por una tobera de pequeño diámetro, para así conseguir que el plasma se mueva a velocidades muy grandes, obteniéndose un chorro de plasma a alta temperatura (superior a los 20000º C) y gran velocidad, capaz de fundir el metal a cortar y retirar las escorias y los óxidos formados.
  • Con este proceso se pueden obtener cortes de elevada calidad y a una alta velocidad en metales de dos a quince milímetros, aunque se pueden cortar espesores de hasta doscientos milímetros, pero al aumentar el espesor de la pieza a cortar se pierde calidad.
  • Los principales gases que se utilizan como gases plasmágenos (gases que se pueden convertir en plasma) son: argón, hidrógeno, nitrógeno, aire o mezclas de estos gases.

Lámpara fluorescente

  • Lámpara fluorescente
  • Los tubos de las lámparas fluorescentes contienen gas argón y gas de mercurio, los que se convierten en plasma debido a que los filamentos de tungsteno ubicados en los extremos del tubo se calientan, produciéndose una liberación de electrones en estos filamentos, ionizándose así los gases.
  • El plasma generado emite una luz ultravioleta debido al choque de los electrones libres del gas argón contra una parte de los átomos del gas de mercurio, esta luz no es visible para el ojo humano, es por eso que se le da al tubo un recubrimiento interno de fósforo, el cual es impactado por los fotones de luz ultravioleta. Este impacto excita los electrones de los átomos de fósforo, los que emiten, a su vez,  fotones de luz visible, que hacen que el tubo se ilumine con una luz fluorescente blanca.
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Televisor plasma

  • Televisor plasma
  • Las pantallas de plasma disponen de dos paneles de cristal separados por 0,1 mm entre ellos y divididos en celdas llamadas pixeles que contienen una mezcla de gases nobles (xenón y neón), cada una de estas celdas tiene sus propios electrodos; además en cada una de ellas hay partículas de fósforos de tres colores: rojo, verde y azul. Al aplicar un alto voltaje, la mezcla de gases se ioniza generándose el plasma, el cual emite luz ultravioleta, y cuyos fotones excitan la capa de fósforo (contenida en la pantalla) produciendo distintos colores dependiendo de la intensidad de corriente aplicada. La combinación de pixeles, cada uno con un color respectivo generan la imagen, por lo que mientras más pixeles tenga la pantalla la imagen generada tendrá una resolución mayor (mejor definición).

Lámpara de plasma

  • Lámpara de plasma
  • Es una lámpara de vidrio sellada, generalmente esférica o cilíndrica, la cual contiene en su interior una mezcla de gases nobles (xenón, criptón y/o neón) a baja presión (menor que la presión atmosférica).
  • En el centro de esta lámpara se encuentra un electrodo que genera un campo eléctrico el cual ioniza el gas.
  • Al tocar la lámpara con una mano se altera el campo eléctrico de alta frecuencia, lo que causa que todos los rayos se junten, formando así un único rayo dentro de la esfera en dirección al punto de contacto.

Mejoramiento de lentes de contacto

  • Mejoramiento de lentes de contacto
  • En la fabricación de lentes de contacto mediante la utilización de un plasma de oxígeno se logra un aumento de la hidrófilidad (afinidad por el agua) del material, evitando así un posterior resecamiento del ojo de la persona que lo utilice, esto se logra modificando la superficie de la lente a nivel microscópico, además se logra disminuir la adhesión de bacterias.

Limpieza de superficies

  • Limpieza de superficies
  • Ésta incluye aplicaciones tan variadas como la esterilización de implantes y materiales para usos médicos, así como la limpieza de dispositivos en la industria electrónica. Este efecto se obtiene debido a la acción del plasma sobre los contaminantes en la superficie.
  • El gas que se usa es fundamentalmente el oxígeno, cuyas moléculas reaccionan con los contaminantes orgánicos, promoviendo su volatilización con lo cual son removidos de la superficie. En el caso de los implantes o materiales médicos la limpieza con plasma esteriliza las superficies, evitando infecciones.

Eliminación y conversión de desechos tóxicos

  • Eliminación y conversión de desechos tóxicos
  • Para esto se genera un plasma a través de un arco eléctrico obteniéndose temperaturas superiores a los tres mil grados Celsius con lo que se consigue destruir las uniones moleculares (disociación molecular), reduciendo las moléculas a los átomos que la componen, desintegrando prácticamente el residuo original. Dicho método tiene la ventaja, respecto de otros tratamientos de residuos, de no producir emisiones contaminantes a la atmósfera, pues sólo se generan gases simples.

Tratamiento de telas

  • Tratamiento de telas
  • Una de las aplicaciones es para la limpieza y esterilización de las telas.
  • También se utiliza para evitar que los tejidos absorban líquidos. Esto es posible debido a que las moléculas del plasma (fundamentalmente plasma de oxígeno) reaccionan con la superficie de los tejidos creando grupos químicos que hacen que ésta se transforme de hidrofílica a hidrofóbica (rechaza el agua).

Nitruración iónica

  • Nitruración iónica
  • Consiste en un tratamiento que permite aumentar la dureza de la superficie de los aceros y sus aleaciones, así como su resistencia al desgaste, lo cual se logra introduciendo nitrógeno y amoniaco dentro del material. Esta tecnología de nitruración se aplica en hornos de vacío, que cuentan con una cámara eléctrica térmicamente aislada, la cual se llena con nitrógeno y amoniaco para ser sometidos a presiones previamente estudiadas. A continuación por medio de un arco eléctrico se genera el plasma, que junto con la influencia de la presión y temperatura, inducen un cambio controlado en la superficie de la pieza. Este método se utiliza a gran escala en la industria, fundamentalmente en piezas de maquinarias y de vehículos.

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