¿Hay plasma en el espacio?

¿Alguna vez has pensado en lo que está contenido en el espacio interestelar o intergaláctico? Hay un vacío técnico en el espacio y, por lo tanto, nada está contenido (no en el sentido absoluto de que nada está contenido, sino en un sentido relativo). Y tendrá razón, porque en promedio en el espacio interestelar alrededor de 1000 átomos por centímetro cúbico y a distancias muy grandes, la densidad de la sustancia es insignificante. Pero esto no es tan simple y directo. La distribución espacial del medio interestelar no es trivial. Además de las estructuras galácticas generales, como un puente (barra) y brazos espirales de galaxias, también hay nubes frías y cálidas separadas rodeadas de gas más caliente. El medio interestelar (MLM) tiene una gran cantidad de estructuras: nubes moleculares gigantes, nebulosas de reflexión, nebulosas protoplanetarias, nebulosas planetarias, glóbulos, etc. Esto conduce a una amplia gama de manifestaciones y procesos de observación que ocurren en el medio. La siguiente lista enumera las estructuras presentes en el MOH:

• Gas coronal
• Zonas luminosas HII
• HII Zonas de baja densidad
• Entorno en la nube
• Zonas cálidas HI
• Condensación maser
• Nubes hola
• Nubes moleculares gigantes
• Nubes moleculares
• Glóbulos

No entraremos en detalles ahora que hay todas las estructuras, ya que el tema de esta publicación es el plasma. Lo siguiente se puede atribuir a las estructuras de plasma: gas coronal, regiones HII brillantes, regiones HI cálidas, nubes HI, es decir. Casi toda la lista puede llamarse plasma. Pero, objetas, el espacio es un vacío físico, y ¿cómo puede haber un plasma con tal concentración de partículas?

Para responder a esta pregunta, es necesario dar una definición: ¿qué es el plasma y con qué parámetros los físicos consideran que este estado de la materia es plasma?
Según los conceptos modernos del plasma, este es el cuarto estado de una sustancia que está en estado gaseoso, altamente ionizado (el primer estado es sólido, el segundo es líquido y finalmente el tercero es gaseoso). Pero no todos los gases, incluso los ionizados, son plasma.

El plasma está compuesto de partículas cargadas y neutras. Las partículas con carga positiva son iones y agujeros positivos (plasma en estado sólido), y las partículas con carga negativa son electrones e iones negativos. En primer lugar, necesita saber la concentración de un tipo particular de partícula. Un plasma se considera débilmente ionizado si el llamado grado de ionización es igual a

$$

$$r = N_e / N_n$$

donde $$$N_e$ Es la concentración de electrones, $$$N_n$ - la concentración de todas las partículas neutras en el plasma se encuentra en el rango $$$(r <10 ^ {- 2} - 10 ^ {- 3})$ . Un plasma completamente ionizado tiene un grado de ionización. $$$r \ to \ infty$

Pero como se dijo anteriormente, no todos los gases ionizados son plasma. Es necesario que el plasma posea la propiedad de cuasineutralidad , es decir en promedio, durante períodos de tiempo suficientemente largos y a distancias suficientemente grandes, el plasma fue generalmente neutro. Pero, ¿cuáles son estos intervalos de tiempo y distancia a los que el gas puede considerarse plasma?

Entonces, el requisito de cuasineutralidad es el siguiente:

$$

$$\ sum _ {\ alpha} e _ {\ alpha} N _ {\ alpha} = 0$$

Primero descubramos cómo los físicos estiman la escala de tiempo de la separación de carga. Imagine que algún electrón en el plasma se desvió de su posición de equilibrio original en el espacio. La fuerza de Coulomb comienza a actuar sobre el electrón, esforzándose por devolver el electrón a un estado de equilibrio, es decir. $$$F \ aprox e ^ 2 / {r ^ 2} _ {cp}$ donde $$$r_ {mié}$ Es la distancia promedio entre electrones. Esta distancia se estima aproximadamente de la siguiente manera. Suponga que la concentración de electrones (es decir, el número de electrones por unidad de volumen) es $$$N_e$ . Los electrones están en promedio a una distancia el uno del otro $$$r_ {mié}$ , por lo que ocupan el volumen en promedio $$$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ . Por lo tanto, si hay 1 electrón en este volumen, $$$r_ {cp} = (\ frac {3} {4 \ pi N_e}) ^ {1/3}$ . Como resultado, el electrón comenzará a oscilar cerca de la posición de equilibrio con una frecuencia

$$

$$\ omega \ approx \ sqrt {\ frac {F} {mr_ {cp}}} \ approx \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {3m}}$$

Fórmula más precisa

$$

$$\ omega_ {Le} = \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {m}}$$

Esta frecuencia se llama frecuencia electrónica de Langmuir . Fue presentado por el químico estadounidense Irwin Langmuir, premio Nobel de química "por descubrimientos e investigación en el campo de la química de los fenómenos de superficie".

Por lo tanto, es natural tomar el recíproco de la frecuencia de Langmuir como la escala de tiempo de separación de carga

$$

$$\ tau = 2 \ pi / \ omega_ {Le}$$

En el espacio, a gran escala, con el tiempo. $$$t >> \ tau$ las partículas hacen muchas vibraciones alrededor de la posición de equilibrio y el plasma en su conjunto será casi neutral, es decir En términos de escala de tiempo, el medio interestelar puede confundirse con plasma.

Pero también es necesario evaluar las escalas espaciales para mostrar con precisión que el cosmos es un plasma. Por consideraciones físicas, está claro que esta escala espacial está determinada por la longitud por la cual la perturbación de la densidad de partículas cargadas debido a su movimiento térmico durante un tiempo igual al período de las oscilaciones de plasma puede cambiar. Por lo tanto, la escala espacial es igual a

$$

$$r_ {De} \ approx \ frac {\ upsilon_ {Te}} {\ omega_ {Le}} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {4 \ pi e ^ 2 N_e}}$$

donde $$$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ . ¿De dónde viene esta maravillosa fórmula? Razonaremos así. Los electrones en plasma a la temperatura de equilibrio del termostato se mueven constantemente con energía cinética. $$$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ . Por otro lado, la ley de distribución uniforme de energía se conoce por termodinámica estadística, y en promedio cada partícula tiene $$$E = \ frac {1} {2} kT_e$ . Si comparamos estas dos energías, obtenemos la fórmula de velocidad presentada anteriormente.

Entonces, obtuvimos la longitud, que en física se llama radio o longitud electrónica de Debye .

Ahora mostraré una derivación más rigurosa de la ecuación de Debye. Nuevamente, imagine N electrones que son desplazados por una cierta cantidad bajo la influencia de un campo eléctrico. En este caso, una capa de carga espacial con una densidad igual a $$$\ sum e_j n_j$ donde $$$e_j$ Es la carga de un electrón, $$$n_j$ Es la concentración de electrones. De la electrostática, la fórmula de Poisson es bien conocida

$$

$$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_j$$

Aqui $$$\ epsilon$ - constante dieléctrica del medio. Por otro lado, los electrones se mueven debido al movimiento térmico y los electrones se distribuyen de acuerdo con la distribución de Boltzmann.

$$

$$n_j ({r}) = n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$$

Sustituimos la ecuación de Boltzmann en la ecuación de Poisson, obtenemos

$$

$$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$$

Esta es la ecuación de Poisson-Boltzmann. Expandimos el exponente en esta ecuación en una serie de Taylor y descartamos cantidades de segundo orden y superiores.

$$

$$\ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}) = 1 - \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}$$

Sustituya esta expansión en la ecuación de Poisson-Boltzmann y obtenga

$$

$$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = (\ sum \ frac {n_ {0j} e_ {j} ^ 2} {\ epsilon \ epsilon_0 kT_e}) \ phi ({r}) - \ frac {1 } {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum n_ {0j} e_ {j}$$

Esta es la ecuación de Debye. Un nombre más preciso es la ecuación de Debye-Hückel. Como descubrimos anteriormente, en un plasma, como en un medio casi neutro, el segundo término en esta ecuación es igual a cero. En el primer término, esencialmente tenemos la longitud de Debye .

En el medio interestelar, la longitud de Debye es de aproximadamente 10 metros, en el medio intergaláctico aproximadamente $$$10 ^ 5$ metros Vemos que estas son cantidades bastante grandes, comparadas, por ejemplo, con dieléctricos. Esto significa que el campo eléctrico se propaga sin atenuación a lo largo de estas distancias, distribuyendo cargas en capas cargadas a granel, cuyas partículas oscilan alrededor de las posiciones de equilibrio con una frecuencia igual a Langmuir.

De este artículo, aprendimos dos cantidades fundamentales que determinan si un medio espacial es plasma, a pesar de que la densidad de este medio es extremadamente pequeña y el espacio en su conjunto es un vacío físico a escalas macroscópicas. A escala local, tenemos gas, polvo o plasma.