Memòria del Curs Acadèmic 1998-1999
|
|
|
|
I.2 Acte d'obertura del curs acadèmic 1998-1999 (2 d'octubre de 1998)
I.2.1 LLIÇÓ INAUGURAL DEL CURS ACADÈMIC 1998-1999
«DESCÀRREGUES ELÈCTRIQUES EN GASOS I PLASMES: APLICACIONS» per JOSÉ ANTONIO VALLÉS ABARCA Catedràtic de la Facultat de Ciències
Foto Juan Manuel Torregrosa
Homenatge al prof. Dr. Maximino Rodríguez Vidal I. Descàrregues eléctriques en gasos I.1 Conducció de l'electricitat en la matèria I.2 Generació i transport de càrregues elèctriques en gasos: descàrregues II.1 Caracterització i clasificació dels plasmes IV. Estudis i treballs relacionats amb els plasmes en la Universitat d'Alacant
Vull que aquesta lliçó siga un homenatge al Prof. Dr. Maximino Rodríguez Vidal, catedràtic d’Electromagnetisme de la Universitat Complutense, membre de la Reial Acadèmia de Ciències Exactes, Físiques i Naturals, Medalla Alfonso X el Sabio al mèrit docent... Ell va ser el meu mestre, va iniciar la seua activitat professional com a mestre nacional (així s’anomenava abans) en un ignot poble de Lugo, Bullan): com a professor, com a director de tesi, com a preparador en la disciplina Electricitat i Magnetisme; ell va ser el meu jefe ¾ com l’anomenàvem respectuosament però amb afecte els seus col·laboradors¾ com a professor adjunt, com a professor agregat (llàstima que el meu accés a càtedra ens separara físicament… i una mica més). Però sobretot va ser un exemple constant i un segon pare (em va acompanyar a la sala d’operacions quan em van operar l’any 1965, ja que els meus pares, encorbats, no s’hi trobaven amb forces). Per a tots els qui vam tenir l’honor d’estar al seu costat, sempre va ser, és i serà un estímul per a la nostra activitat docent.
També vull recordar el company del meu departament, Enrique Alfonso Abad Sempere, que se’n va anar d’una manera tan inesperada i tràgica el passat curs acadèmic i que va ser molt conegut en aquesta Universitat des que se’n va iniciar el germen, que fou el CEU, i fins a la celebració recent del XXV aniversari del CEU. El millor record serà iniciar aquesta lliçó amb el crit que intercanvien els festers de les seues estimades festes de Moros i Cristians d’Alcoi: "Tot bé, tot bonic, no passa res, i si passa... que passe".
Foto Juan Manuel Torregrosa
Honorable Sr. Conseller de Cultura, Educació i Ciència de la Generalitat Valenciana, Excel·lentíssims i Magnífics senyors rectors, Excel·lentíssims i Il·lustríssims senyors, Personal de la Universitat d’Alacant, docent, investigador, d’administració i serveis, Alumnes, Senyores i senyors,
En el ritual de l’acte acadèmic d’inauguració del curs universitari és una tradició el desenvolupament d’una lliçó a càrrec d’un dels professors del claustre, elegit segons un criteri de repartiment cíclic entre els diversos centres que constitueixen la Universitat, en aquest cas la Facultat de Ciències. En cada centre es proposa el professor més antic en l’escalafó burocràtic: aquest és el meu cas, després dels professors Francisco Ruiz Beviá, Eduardo Cadenas Bergua i Antonio Aldaz Riera. Voldria que aquestes primeres observacions serviren per a aclarir que la meua presència és fruit d’aquests fets i no d’especials mèrits docents o d’investigació.
La concreció de la lliçó planteja, com a mínim, dos problemes inicials referits a l’heterogeneïtat de l’audiència davant la qual es llig i al nivell del contingut. L’especialització inherent dins de cada àrea de coneixement fa que, de vegades, resulte difícil entendre les investigacions que duen a terme companys d’un mateix departament, especialment si estan integrades per diverses àrees. En conseqüència, he optat per desenvolupar un tema amb un contingut de caràcter general i amb un nivell no especialitzat, amb el difícil objectiu d’aclarir termes, idees o conceptes, i de motivar la curiositat per l’estudi de les aplicacions ¾ tant en el sentit d’extensió del nostre coneixement com en el de fonament per a activitats pràctiques¾ dels plasmes o gasos ionitzats amb unes característiques específiques que intentaré detallar. Tant l’àrea de coneixement a la qual pertanc, Física Aplicada, com l’activitat investigadora que he desenvolupat des que em vaig incorporar a la Universitat d’Alacant, aplicacions dels feixos iònics en microelectrònica, expliquen aquesta lliçó.
Altres raons són de tipus històric, ja que voldria recordar dues efemèrides recents de les quals es van fer ressò els mitjans de comunicació social. A l’octubre de 1997 (1) es va complir el centenari de la publicació dels treballs de J. J. Thompson, del Laboratori Cavendish de la Universitat de Cambridge, sobre descàrregues elèctriques en els gasos, que el van fer concloure que, els denominats llavors i ara raigs catòdics eren feixos de corpuscles, partícules amb una massa i una càrrega característiques. Va ser la primera proposta d’una partícula elemental que es denominà electró. Aquests estudis sobre la conducció d’electricitat en els gasos van ser la justificació de la concessió dels premis Nobel de Física de 1906 a P. Lenard (raigs catòdics) i el 1907 al mateix J. J. Thompson.
En aquest any de 1998 estem recordant el cinquanta aniversari del descobriment de l’efecte transistor en els estudis sobre semiconductors de W. Shockley, J. Bardeen i W. H. Brattain, que els justificà per a la concessió del premi Nobel en Física de 1956.
La meua intenció és presentar una relació entre aquests dos aspectes de la física experimental i aplicada, aparentment tan dispars, les conseqüències tecnològiques dels quals són presents en la nostra vida quotidiana i ens anuncien continus progressos en un futur no gaire llunyà.
El pont que connectarà ambdós temes seran els plasmes. Una anècdota pot servir per a evitar, des del començament d’aquesta lliçó, una lògica confusió terminològica. A l’estiu de 1980, dins els cursos de la Universitat Menéndez y Pelayo de Santander, vaig dirigir un curs amb el títol "Aplicacions dels plasmes". Quan en vaig acabar la presentació, tres alumnes matriculats, que eren estudiants de Ciències de la Salut, se m’acostaren horroritzats perquè s’havien endut el desengany que no eren plasmes … sanguinis.
Em sembla oportú fer aquest aclariment, atès que l’ús més generalitzat correspon al significat biomèdic. Aquest és un exemple més dels possibles problemes de comunicació entre les diverses disciplines i entre els científics i la societat.
Un avantatge inicial del tema escollit és que tots tenim una experiència directa de descàrregues elèctriques, com passa amb les tempestes acompanyades de raigs, en les quals percebem fenòmens visuals (llamp), sonors (tro) i, fins i tot, químics, ja que en les proximitats on cau un llamp es detecta una olor coenta. Aquestes descàrregues naturals no seran l’objecte de la nostra lliçó, però deixarem constància de la interpretació mítica que fa Homer en l’Odissea com a recurs del déu Zeus " va fer un tro i al mateix temps va llançar un llamp a la nostra nau; aquesta va sotragar en ser ferida pel llamp de Zeus i es va amarar de l’olor de sofre" (rapsòdia XII).
Tot i que potser no cal explicar-ho, el text escrit que s’hi presenta no correspon a l’exposició oral desenvolupada. Intencionadament, solament va ser un resum amb el modest objectiu modest de suggerir o d’aclarir algunes idees i conceptes, i de motivar la curiositat… sense avorrir l’heterogènia audiència present.
També vull deixar constància que el text definitiu va ser lliurat al febrer de 1999, amb la qual cosa no vaig complir el costum habitual de tenir-lo disponible per als assistents a la solemne inauguració del curs acadèmic. Demane clemència, especialment a les persones directament involucrades en l’organització de l’acte, com ara la vicerectora Ana Laguna i al personal de Protocol, Secretaria i impremta. Aquest aclariment també és necessari per a entendre perquè hi apareixen referències amb data de publicació posterior al dia 2 d’octubre de 1998, quan vaig pronunciar la breu lliçó inaugural.
En aquesta introducció vull aclarir també que en el títol faig servir la paraula aplicacions entesa no solament com a realització i productes tangibles. Pretenc estendre el seu significat per a incloure l’extensió del coneixement, la identificació de projectes i la formulació de propostes. Crec que són vertaders productes intangibles necessaris per al progrés, la innovació...
Per acabar, torne a dir que m’he posat limitacions per raons de temps i d’espai. No parlarem d’una temàtica tan interessant i espectacular com és l’electricitat atmosfèrica.
I. Descàrregues elèctriques en gasos
L’electricitat és la part de la Física que s’ocupa de l’estudi dels fenòmens elèctrics, que són els que ofereixen característiques anàlogues a les noves propietats que adquireix l’ambre en ser fregat amb un tros de llana (atrau petites partícules), experiència que ja era coneguda pels grecs i que explica la raó etimològica de la paraula electricitat (ambre). Per a caracteritzar aquest estat de la matèria en què es presenten aquestes noves accions elèctriques, hom diu que està electritzada o carregada i que s’introdueix una nova magnitud física, la càrrega, que pot presentar-s’hi en dues formes com ho demostra el fet que les accions entre cossos carregats poden ser repulsives o atractives, en contraposició al que passa amb les accions gravitacionals, que sempre són atractives.
A grans trets, es poden distingir quatre períodes en el desenvolupament històric de l’electricitat: 1) electrostàtic, que culmina amb la formulació quantitativa de la força de càrregues per Coulomb (1729); 2) electrocinètic, en el qual l’atenció se centra en la producció i els efectes del corrent elèctric; 3) electromagnètic, en el qual l’abundant treball experimental i les interessants observacions fenomenològiques degudes a Faraday permeten la primera sistematització dels fenòmens elèctrics i magnètics que va fer Maxwell; 4) electronicorelativista, en què una vegada descobert el caràcter discret de la càrrega elèctrica per ser sempre múltiple d’una quantitat mínima, la càrrega de l’electró, s’exigeix un replantejament de l’electromagnetisme com va fer Lorentz, que al seu torn formula les conegudes relacions de transformació de coordenades, que són una de les moltes conseqüències, o millor, raons dels postulats de la relativitat d’Einstein.
En l’estudi de l’electricitat se solen adoptar diversos criteris. Així, si ens fixem en la font que és l’origen de l’energia que dóna lloc a l’aparició d’aquestes propietats, se sol parlar de triboelectricitat (fregament o fricció), termoelectricitat (temperatura), piroelectricitat (escalfament), piezoelectricitat (pressió), fotoelectricitat (llum). Com podem observar, les possibilitats són bastant nombroses i resulta difícil abordar l’estudi plantejat d’aquesta manera unificada; és preferible, doncs, fer-ho particularment.
Per a un estudi sistemàtic és millor diferenciar els fenòmens segons siguen càrregues fixes o mòbils. L’electrostàtica s’ocupa de l’estudi dels fenòmens units a càrregues immòbils, que lògicament són independents del temps. Contràriament, si els fenòmens són conseqüència d’un moviment de càrregues, es podrà parlar d’electrodinàmica, electrocinètica i magnetisme. En els dos primers casos, ens preocupem o no de les causes del moviment de càrregues. En magnetisme s’estudia un tipus especial d’accions, anomenades magnètiques, que apareixen solament si les càrregues es mouen.
La teoria atòmica de la matèria ens permet entendre el significat de l’expressió cos carregat. El nucli reuneix la càrrega positiva concentrada i, al voltant seu però prou distants, es troben els electrons (quants de càrrega negativa) en un nombre igual al de protons (quants de càrrega positiva) que té el nucli, de manera que la càrrega total neta és nul·la. Però si un àtom perd un electró, es transforma en un ió carregat positivament (catió), i passa el contrari si adquireix un electró en excés, i aleshores la càrrega és negativa (anió). En resum, el procés d’aparició de càrregues en els cossos materials és simplement una pèrdua o un guany d’electrons en el cas més senzill. Així expliquem el fenomen d’electrització de l’ambre per fregament amb llana, ja que pel fet de tenir els dos cossos en contacte característiques diferents, els electrons es redistribueixen i en queden en excés en un dels dos, que queda carregat negativament, mentre que l’altre queda carregat positivament. Un mateix cos pot quedar carregat positivament o negativa d’acord amb les característiques del cos amb el qual estiga en contacte. Aquest caràcter positiu o negatiu es pot comprovar de manera experimental senzilla si utilitzem un pèndol elèctric, que consisteix en una petita esfera de medul·la de saüc (cos molt lleuger), suspesa per un fil de seda d’un punt fix. En acostar-hi l’ambre, acabat de fregar amb la llana, l’esfera hi és atreta; si xoca amb aquest, però, és repel·lida. Si després d’aquesta experiència hi acostem el vidre, també acabat de fregar amb la llana, l’esfera és atreta i, com abans, pot passar que en tocar-hi siga repel·lida. Amb aquests senzills experiments concloem que hi ha dos estats de càrrega, positiu i negatiu, i que les càrregues del mateix signe es repel·leixen i les de signe diferent s’atrauen.
I.1. Conducció de l'electricitat en la matèria
Deliberadament he usat l’anacrònica denominació conducció de l’electricitat per a aquest primer subapartat, atès que és la que històricament va ser utlitizada per a identificar aquest tipus d’estudis. Un bon exemple n’és el llibre dels Thompson (2): J.J. Thompson, pare, que ja hem esmentat, i el fill G. P. Thompson, premi Nobel de Física el 1937 pel descobriment experimental de la difracció d’electrons per cristall. Avui dia, tot i que s’utilitze aquesta expressió, sabem que el que es condueix, millor dit el que es transporta, són càrregues elèctriques electrons (buits) i ions (cations i anions), mòbils, els portadors de càrrega en el cas de corrents de conducció, presents en els anomenats no conductors. Hi ha també altres tipus de corrents com ara els de convecció i els de desplaçament. Un exemple de corrent sense portadors del material són els tubs de buit com els aparells de televisió o els oscil·loscopis: un filament incandescent, el càtode, emet (injecta) electrons que són atrets per un elèctrode positiu (ànode) sense que hi haja matèria (buit físic) entre ambdós electrons, que, quan fan impacte en una pantalla recoberta amb material fluorescent o fosforescent, si es tracta d’oscil·loscopis de pantalla persistent, produeixen una emissió en el visible que permet la visualització del punt d’impacte. Els corrents de desplaçament, introduïts per Maxwell en la seua síntesi genial de l’electromagnetisme, estan associats amb camps elèctrics variables, fins i tot en el buit físic.
Com hem indicat, s’admet que el descobriment dels fenòmens elèctrics correspon a les experiències que va fer Tales de Milet (640-548 a.C.) fent servir diversos materials, especialment l’ambre. En l’estudi experimental de les propietats elèctriques de la matèria, un camp concret de l’electricitat, podem distingir fins a l’inici del segle XX diversos períodes:
A finals del segle XIX sembla clar que hi ha dos comportaments –virtuts elèctriques– de la matèria sotmesa a un estímul elèctric. D’una banda, pot produir-se un fenomen de pas d’electricitat; d’una altra banda, una acumulació d’electricitat, si es col·loca entre dos elèctrodes (= vies per a l’electricitat) metàl·lics. Els primers seran els conductors i el fenomen de conducció, i els segons, dielèctrics i polarització elèctrica. Hom recorre, com és lògic, a interpretar aquests comportaments utilitzant el paradigma dels efluvis i dels fluids: galvànic vital, dos fluids interaccionants...
En el cas dels sòlids, els metalls són un clar exemple de conductors, i Ohm descobreix una dependència lineal entre la diferència de potencial aplicada entre els extrems, mesurada amb un voltímetre, i la intensitat de corrent circulant, mesurada amb un amperímetre. El quocient entre aquestes mesures, la resistència elèctrica, és una característica del material i de la geometria del fil emprat. Aquest comportament caracteritza els conductors òhmics.
En el cas dels líquids, pràcticament tan sols els metalls fosos són conductors, però les dissolucions aquoses de sals, com el clorur sòdic, presenten fenòmens de conducció i d’electròlisi. Tenim una distinció entre conductors iònics o electrolítics i conductors electrònics o metalls.
I.2. Generació i Transport de càrregues elèctriques en gasos: Descàrregues
L’estudi experimental de la conducció de l’electricitat en els gasos va necessitar, no solament disposar de màquines elèctriques que subministraren de manera contínua una diferència de potencial elèctric, com passa bàsicament en el cas dels sòlids i els líquids, sinó també tècniques d’evacuació que permeten controlar el contingut dels tubs que incorporen els elèctrodes, per a analitzar el pas del corrent a través del gas a una pressió que també cal controlar i mesurar.
Aquestes raons expliquen que l’estudi de les propietats elèctriques de la matèria per al cas de gasos es desenvolupara a començament del segle XIX amb més dificultat. Tanmateix, a diferència dels sòlids i dels líquids, es trobaren efectes visuals que expliquen l’interès generalitzat, a pesar dels problemes pràctics per a la reproducció de resultats.
Quan apliquem entre els elèctrodes una diferència de potencial petita, i en conseqüència un camp elèctric dèbil, es detecta que el corrent que circula és molt baix i fins i tot arriba un moment en què no varia en incrementar el voltatge, i es produeix un fenomen de saturació. Però si continuem augmentant el voltatge, es produeix un increment brusc del corrent. Aquest tipus de comportament és, per descomptat, no òhmic.
En els gasos, la condició que implica el pas d’un corrent elevat es coneix com el fenomen de descàrrega o ruptura elèctrica del gas: pas d’un comportament no conductor (corrent baix) a conductor. Si s’incrementa el corrent que circula, s’arriba a una situació en la qual apareixen entre els elèctrodes diversos espais o zones emissores de llum i fosques. Hom parla, aleshores, de descàrregues luminiscents (glow), i és el color de les diverses zones la característica del gas que ocupa el tub.
La complexitat del fenomen de descàrrega és deguda a la quantitat de factors de què depèn, ja que no solament hi estan implicats el gas, la seua composició i la pressió, sinó també els elèctrodes, la geometria i la composició, a més de les magnituds elèctriques com ara la diferència de potencial i el corrent. El gas pot passar a un estat conductor si es presenten mecanismes que incrementen el nombre d’espècies carregades, el moviment de les quals implica un pas de corrent. El mecanisme més significatiu és l’impacte dels electrons accelerats pel camp existent en l’espai interelèctric amb els àtoms i les molècules que formen el gas.
Aquesta interacció pot produir la ionització i aleshores tindrem, en el cas més general, que es produeix un electró i un ió positiu que, en ser arrossegats pel camp, transporten càrrega elèctrica entre els elèctrodes en una quantitat addicional a la que correspon al gas sense aquest procés intern, conseqüència de l’aplicació externa d’una diferència de potencial entre els elèctrodes. Aquest mecanisme pot produir-se en forma d’allau, la qual cosa justifica que la transició entre els dos estats es produesca d’una manera relativament brusca.
També pot ocórrer que la interacció origine l’excitació dels àtoms i les molècules del gas i, en conseqüència, s’explica l’existència d’emissions de llum que acompanyen el procés de desexcitació, és a dir de retorn a l’estadi inicial, menys energètic, després de l’impacte dels electrons energètics.
En la majoria dels gasos, si hem d’explicar l’existència d’electrons lliures per la ionització intrínseca corresponent a la temperatura del sistema, les quantitats són tan petites que cal introduir-hi algun mecanisme extrínsec, com poden ser les radiacions energètiques a què es troba sotmès el tub de descàrrega. Així es tracta d’explicar l’existència d’un comportament de saturació que correspondria a la captació de tots els electrons generats per l’agent extern. Aquesta situació experimental és el fonament d’alguns mesuradors de radiació nuclear.
Un altre mecanisme, que va ser introduït des dels primers intents d’explicació dels resultats experimentals, és el conegut com emissió d’electrons en el bombardeig del càtode pels ions positius accelerats pel camp. D’aquesta manera poden ser processos interns al gas els que expliquen l’existència d’una quantitat extra d’electrons, que en el trajecte des del càtode fins a l’ànode donaria lloc als processos d’ionització i d’excitació de les partícules neutres que constitueixen la major part de les espècies presents en el gas.
Les mesures experimentals que es van fer de la distribució del potencial elèctric entre els elèctrodes mostraren que es produïa una major caiguda en la zona pròxima al càtode, l’espai fosc de Crookes, que en la zona contigua a l’ànode coneguda com columna positiva. En aquesta última, el potencial era pràcticament constant, fet que implicava l’absència de càrrega neta, situació que s’esdevé per a ions monopositius, quan les concentracions iònica i electrònica coincideixen.
I. Langmuir, en els treballs que va iniciar a primeries del anys vint, per a desenvolupar vàlvules que permeteren el pas de corrents elevats, va introduir el 1929 la paraula plasma per a descriure els gasos ionitzats. Amb més precisió es pot definir com un gas de partícules neutres i carregades que és quasi neutre i que presenta un comportament col·lectiu (5).
Aquest comportament col·lectiu és causat pel llarg abast de les forces elèctriques i perquè l’existència de càrregues mòbils pot provocar una lleugera pèrdua local de la neutralitat espacial, fet que origina camps elèctrics als quals són sotmesos les càrregues. També, com a conseqüència del moviment d’aquestes, es produeixen camps magnètics que efectuaran accions dinàmiques sobre les càrregues.
Precisament, el nom plasma sembla que està relacionat amb la possibilitat de donar forma (plasmar), utilitzant camps elèctrics i magnètics i evitant d’aquesta manera la necessitat d’un contenidor o recipient, com és el cas dels fluids, els líquids o els gasos. És freqüent utilitzar el terme quart estat de la matèria per als plasmes, a més dels sòlids, els líquids i els gasos.
L’estat sòlid es caracteritza per tenir un volum i una forma característics; els líquids, per la seua elevada incompressibilitat tindran volum fix però adopten la forma del recipient que els conté (suposant que hi ha gravitació!), i els gasos, per la seua elevada compressibilitat, tenen un volum que depèn de la pressió i la temperatura a què estan sotmesos (equació d’estat) i la forma serà fixada per les parets del recinte que els confine.
Si adoptem una visió terrícola, geocèntrica, podem considerar els plasmes com una raresa, atès que no es presenten de manera natural en el nostre petit planeta blau. Tanmateix, tot sembla indicar que el 99% de la matèria de l’univers es troba en estat plasma. Per això el gran interès per a l’astrofísica i la cosmologia, camps en què començà l’estudi d’aquest tema. Una indicació de la seua rellevància és que el premi Nobel de 1983 s’atorgà a Subrahmanyan Chandrasekhar (6) pels seus estudis sobre els processos físics d’importància en l’estructura i l’evolució de les estrelles.
Si ens elevem una mica del sòl, no hem d’oblidar que la capa superior de l’atmosfera es denomina ionosfera (7) i aquestes investigacions també van merèixer un premi Nobel: el que es va atorgar a E.V. Appleton el 1947. La seua existència va permetre les comunicacions radioelèctriques entre punts sobre la superfície terrestre no situats en línia recta, aprofitant la reflexió de les ones electromagnètiques de radiofreqüència (capa de Heaviside). Aquesta capa és una protecció davant les nocives radiacions extraterrestres que incideixen sobre el globus terraqüi, la famosa capa d’ozó, l’aprimament o la destrucció de la qual provoquen tanta preocupació. L’existència del camp magnètic provoca efectes singulars en el que es coneix com magnetosfera (cinturons de van Allen, aurores boreals, etc.).
L’interès teòric i fonamental pels gasos ionitzats i els plasmes s’intensificà a partir dels anys cinquanta (8): propagació de les ones electromagnètiques (9), magnetohidrodinàmica (10), dispositius (generadors energètics) magnetohidrodinàmics (MHD), etc.
Simultàniament es va generalitzar l’estudi experimental i aplicat amb la producció de plasmes en el laboratori. La primera gran aplicació, com passa en altres casos, va ser, malauradament, bèl·lica. Després dels llançaments de les bombes atòmiques sobre Hiroshima (6 d’agost de 1945) i Nagasaki (9 d’agost de 1945), hom pensà aprofitar l’energia que produeix la fissió de l’isòtop 239 del plutoni en la producció de la fusió del deuteri i del trici, isòtops de l’hidrogen, procés pel qual s’origina l’energia solar. La bomba desenvolupada es denominà bomba H, s’experimentà per primera vegada a l’oceà Pacífic l’1 de novembre de 1952, i va resultar molt més destructiva que la bomba de fissió.
La crisi energètica de finals de 1973, provocada per l’increment espectacular del preu del cru acordat per l’Organització de Països Exportadors de Petroli (OPEP), dinamitzà la recerca d’altres fonts energètiques. Els estudis bàsics i aplicats dels processos de fusió (calent!, no el desengany de la fusió freda) trobaren un clar al·licient per a la proposta de reactors nuclears de fusió, tractant de reproduir en la terra els processos energètics que ocorren en el sol i en altres estrelles. Tornarem sobre aquest tema en l’apartat d’aplicacions.
II.1 Caracterització i Clasificació dels Plasmes
D’una manera general, els paràmetres que caracteritzen el plasma seran la concentració mitjana d’electrons que suposem igual a la d’ions (monopositius), i la concentració de neutres, o equivalentment el grau d’ionització, i també les distribucions energètiques i les energies mitjanes o la temperatura equivalent. Aquests valors se solen indicar en unitats energètiques, electró volts (eV), en valors absoluts, graus Kelvin (K). L’equivalència d’aquestes unitats amb la fixada en el sistema internacional, joule (J) és 1 eV º 1,6´ 10-19 J, 1K º 1,36´ 10-23 J, o bé la relació entre les unitats d’ús 1 eV º 11765 K i a la inversa 1 K º 8,5´ 10-5 eV.
La introducció de temperatures i energies es basa en el supòsit de conèixer la funció de distribució, segons les energies dels components d’un sistema i en les quals apareix el paràmetre temperatura, com ocorre en la distribució maxweliana que es dedueix per als gasos (no ionitzats) en la teoria cinètica. En el cas dels plasmes es complica el problema perquè sovint els tres subsistemes - electrons, ions i partícules neutres- no es troben en equilibri termodinàmic entre si.
Així, es parla de temperatura electrònica i de temperatura iònica. Una complicació addicional és fer servir diverses temperatures per a les espècies (massives) ions i neutres: temperatura del gas, que reflecteix l’energia translacional, temperatura d’excitació, que indica la situació de les partícules excitades (energia interna), les temperatures d’ionització i de dissociació, que caracteritzen aquests processos, i la temperatura de radiació, que quantifica l’energia radiada, és a dir l’intercanvi amb l’entorn per emissió de fotons.
Els enfocaments teòrics generals (11) de la interacció de gasos ionitzats amb camps electromagnètics són tres. El primer és la teoria de l’equilibri, que es basa en la hipòtesi que les col·lisions entre les partícules carregades condueixen a una distribució tipus Maxwell-Boltzmann. El segon és la teoria orbital, que parteix de l’estudi del moviment dels electrons i dels ions. El tercer és la formulació hidromagnètica, en què combinen les equacions clàssiques (de Maxwell) de l’electromagnetisme amb les equacions clàssiques del moviment de fluids, i és un bon punt de partida per a analitzar els aspectes dinàmics associats al caràcter col·lectiu dels plasmes.
En els plasmes s’introdueix, per analogia amb el tractament dels electròlits, la longitud de Debye, que està relacionada amb la concentració volúmica de càrregues i amb la temperatura. És molt habitual que en les descàrregues de laboratori s’introduesquen diversos valors per a la temperatura que caracteritza l’energia mitjana dels electrons, els ions i les partícules neutres, situació que, evidentment, no es presenta en els electròlits. La longitud de Debye és una mesura de l’apantallament que fa un plasma d’una alteració electrostàtica com pot ser un elèctrode. Al voltant seu es genera una regió de càrrega espacial o beina. Per poder considerar que hi ha un plasma ha de complir-se la condició que les dimensions siguen majors que la longitud de Debye, ja que, en cas contrari, estem en una situació de gas ionitzat. Una manera equivalent de parlar d’un plasma és indicar que el nombre de partícules dins d’una esfera el ràdio de la qual és la longitud de Debye és molt elevat.
Un aspecte dinàmic que cal indicar és la freqüència pròpia de les oscil·lacions de plasma degudes al caràcter col·lectiu. La denominada freqüència de plasma és directament proporcional a l’arrel quadrada de la concentració de les espècies carregades i inversament proporcional a l’arrel quadrada de la massa. Els seus valors per a electrons i ions són bastant diferents: per a l’ió menys pesant, el protó, el seu valor és unes 43 vegades menor.
Si el plasma se sotmet a una perturbació de freqüència menor que la freqüència de plasma de les partícules carregades (electrons i ions), aquestes respondran intentant mantenir la neutralitat del plasma, cosa que no ocorrerà en les situacions en què siga la freqüència major. La diferència entre freqüències de plasma dels electrons i ions és l’origen del comportament tan divers dels plasmes per a la propagació d’ones electromagnètiques depenent del valor de freqüència. Aquest fenomen es coneix com dispersió. La presència de camps magnètics provoca que el plasma, medi magnetoactiu, es comporte de forma anisòtropa, (12, 13).
Fins aquest moment hem suposat que el plasma és homogeni, és a dir, que les concentracions i les temperatures són les mateixes en tots els punts. Sovint hi ha inhomogeneïtats, la qual cosa exigeix introduir els processos de difusió associats als gradients d’aquestes magnituds característiques del plasma.
Per a classificar els plasmes es poden utilitzar diversos enfocaments. Aquí utilitzarem el termodinàmic (14). Hi ha plasmes en equilibri termodinàmic global (CTE- Complete Thermodynamic Equilibrium-plasmes) per als quals les diverses temperatures introduïdes abans coincideixen, que solament existeixen en les estrelles i durant brevíssims intervals temporals en explosions violentes. També es distingeixen plasmes en equilibri termodinàmic local (LTE-Local Thermodynamic Equilibrium-plasmes) en els quals totes les temperatures coincideixen llevat de la temperatura de radiació, per la qual cosa també es coneixen com plasmes tèrmics (Thermal Plasmas" o "calents"). Els plasmes "calents" es presenten en els sistemes de dipòsit de recobriments, i de reducció i fusió de gangues metal·lúrgiques (torxa o bufador de plasma) i en els reactors experimentals de fusió termonuclear. Per fi tenim els plasmes més freqüents en el laboratori, en els quals no hi ha equilibri local i que es denominen "freds". N’és el cas de les descàrregues en gasos a baixa pressió.
En l’univers es presenten plasmes les característiques dels quals canvien en un rang amplíssim: les concentracions electròniques, entre 1 i 1020 cm-3 (20 ordres de magnitud!) i les temperatures electròniques entre 10-2 i 105 eV (solament 7 ordres de magnitud = 10 milions!). L’espai interestel·lar conté un plasma d’hidrogen amb una concentració d’1 electró per centímetre cúbic, però en la ionosfera la concentració és un milió de vegades major i la temperatura electrònica 0.1 eV. En el sol i altres estrelles les temperatures en la superfície varien entre 0.5 i 7 eV (5000 y 70000 K). S’admet que el nucli del sol és un plasma completament ionitzat amb una temperatura d’uns 2 keV (uns 24 milions de graus Kelvin!). El fonament dels mètodes de producció de plasmes en el laboratori és molt simple: aportar energia a un gas, provocant-ne la ionització, o a un sòlid per a aconseguir una sublimació ionitzant. El quadre que adjuntem, recull diverses aproximacions per a aconseguir aquest objectiu. Els sistemes o reactors que fan aquests dissenys conceptuals són enormement diversificats i no podem entrar en la descripció dels seus elements constitutius, el materials emprats, les problemàtiques...
Per als plasmes "freds" ja hem indicat que es produeixen en les descàrregues elèctriques en aplicar una diferència de potencial (voltatge) de corrent contínua (cc) a un gas a pressió reduïda. També es poden usar com a excitació voltatges de corrent altern (ca), sia de RF (radiofreqüència assignada per a ús industrial 13,56 MHz), sia microones (freqüència assignada 2,45 GHz). En el cas de voltatges variables amb el temps es pot recórrer a aplicar-los directament a elèctrodes en contacte amb el gas o a l’acoblament inductiu o capacitatiu sense elèctrodes.
Per als plasmes termonuclears ("calents") hi ha dues propostes base: el confinament per camps elèctrics i magnètics emprant estructures toroïdals (Tokamaks – en terminologia russa, que s’utilitza genèricament – Stellarators and Reversed Field Pinches – RFP) (15) i el confinament inercial, en el qual s’enfoquen feixos de làser de potència elevadíssima sobre microesferes de trici. Aquesta última aproximació s’incloïa dins la proposta nord-americana de "Guerra de les Galàxies" (Star Wars, Strategic Defence Iniciative – SDI) (16).
Intentar presentar una simple panoràmica del camp de les aplicacions dels plasmes és una tasca ben difícil, atesa l’enorme diversitat d’aquest element. Les resumiré en quatre grups:
1) Fonts de radiacions corpusculars, com ara els canons d’ions, que produeixen feixos d’ions positius o negatius amb energia translacional dirigida i diversa –des d’eV fins a MeV¾ , que normalment s’extrauen d’una descàrrega o d’un plasma. Un altre exemple en són les torxes o els bufadors de plasma ja esmentats.
2) Fonts de radiacions fotòniques, com ara els tubs de neó publicitaris, els tubs fluorescents, emprats en luminotècnia, els làsers de gas, les espectroscòpies d’emissió per plasma amb acoblament inductiu (ICP) d’interès analític.
3) Plasmes i fusió nuclear (17), tant per a estudis bàsics en astrofísica com aplicats per a generar energia –reactors nuclears. S’utilitzen de manera molt expressiva els termes espills i botelles magnètiques per a referir-se a aquestes estructures del camp. Tot i que s’han descrit diverses possibilitats, la més freqüent és la de toroide, o tokamak en la denominació soviètica. S’estan desenvolupant diversos projectes en l’àmbit europeu JET, NET, i internacional. ITER. A Espanya, en el CIEMAT de Madrid, estan experimentant amb un reactor toroïdal de grandària reduïda, TJII (18).
El futur de totes aquestes investigacions és dubtós per la retirada dels Estats Units a l’octubre de 1998 del projecte internacional ITER, que s’estava desenvolupant en col·laboració amb la Unió Europea, el Japó i Rússia. Els tres socis que resten volen continuar, però les probabilitats són una incògnita.
4) Plasmes i materials14. Aquest és un camp amb un desenvolupament potentíssim tant en microelectrònica com en ciència i enginyeria dels materials. En el quadre es recullen algunes de les possibilitats, derivades del fet que, per ser "freds", l’existència d’espècies excitades i reactives permet la producció de reaccions o processos singulars per a la "baixa temperatura" (19, 20).
Com a mètodes de dipòsit de pel·lícules primes o capes fines cada vegada són més freqüents els que utilitzen plasma, sia per a reduir la temperatura de dipòsit, sia per a trobar compostos que en condicions d’equilibri no s’obtindrien.
Però on s’ha trobat una aplicació molt estesa és en la fabricació de circuits integrats d’alt nivell d’integració (VLSI) (21) per les inicials en anglès) o ultraelevat (ULSI). En aquests, les dimensions dels elements del circuit són micromètriques, és a dir, la milionèsima del metre, i fins i tot inferiors. Els mètodes habituals de producció, coneguts com humits perquè fan servir dissolucions, s’estan substituint pels secs, en el quals es produeix un plasma que permet gravar en aquestes dimensions. Estem parlant de la microelectrònica, que és la base dels sorprenents increments en memòria i la velocitat de procés dels ordinadors com a exemple més conegut.
IV. Estudis i treballs relacionats amb els Plasmes en la Universitat d'Alacant.
Per acabar, intentaré presentar les activitats tant docents com d’investigació que es desenvolupen en aquesta Universitat relacionades amb plasmes. Possiblement la meua informació no és del tot correcta i agrairia que em subministraren les correccions i les addicions pertinents.
La docència és inexistent, tant en el nivell de primer cicle, la qual cosa pot ser lògica ja que es tracta d’un tema relativament especialitzat, com en el segon o el tercer cicle. En aquest últim cas és molt fàcil que aparega inclosa en un programa de doctorat com Ciència de Materials. En segon cicle, és possible que en un futur no gaire llunyà la Facultat de Ciències impartesca la llicenciatura en Física. La resta de possibles estudis, els de Ciència i Enginyeria dels Materials, ja estan implantats des d’aquest curs acadèmic en la Universitat Miguel Hernández. Quan em vaig incorporar a la Universitat d’Alacant, el curs 1981-82, la Facultat de Ciències ja havia sol·licitat la llicenciatura en Ciències Físiques, com s’anomenava aleshores!
La investigació és diversa i dispersa. En el Departament de Física Aplicada, el Laboratori de Capes Fines i Col·lisions Atòmiques, constituït quan s’incorporaren a aquesta Universitat els profs. Gras Martí i Vallés Abarca, treballa en processos de gravat sec en microelectrònica. També en el nostre Departament, aquest laboratori, en col·laboració amb el Laboratori de Materials Fotosensibles, que dirigeix el prof. Quintana Arévalo, estan treballant en el revelatge sec de la gelatina dicromada. Des de fa dos anys, aquests dos grups col·laboren amb els profs. Aldaz Riera i Feliu Martínez, del Departament de Química Física en metrologia d’estructures micromètriques polimèriques i la seua aplicació a la producció de microelèctrodes d’aplicació electroquímica.
En el Departament de Física, Enginyeria de Sistemes i Teoria del Senyal, el grup d’astrofísica i tecnologia espacial, que dirigeix el prof. Bernabeu Pastor, en col·laboració amb el grup del prof. Strazzulla de la Universitat de Catània, treballa en la detecció de O2 i N2 en grans interestel·lars (22).
En el Departament de Química Inorgànica, el Laboratori d’Adhesius que dirigeix el prof. Martín Martínez està estudiant l’aplicació dels plasmes de baixa pressió per al tractament de cautxús vulcanitzats d’estirè-butadiè (23). En el Departament de Química Analítica, el Grup d’Espectroscòpia Atòmica que dirigeixen els prof. Hernandis Martínez i Canals Hernández treballa en l’avaluació de les microones en espectroscòpia de masses en ICP (24).
Foto Juan Manuel Torregrosa
1 Physics Today, oct. 1997, vol. 50, nº 10, p. 26-33. 2 J.J. Thompson y G.P. Thompson, "Conduction of Electricity Through Gases", 3ª ed., vol. I (1928), vol. II (1933).3 E. Schrödinger, "La Naturaleza y los griegos", Aguilar, 1961.4 M. Rodríguez Vidal. "La Electricidad en el siglo XVIII", Ral Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, 1983.5 E. Nasser. "Fundamentals of gaseous ionization and Plasma Electronics". Wiley-Interscience, 1971.6 S. Chandrasekhar, "Plasma Physics". Phoenix Books, The University of Chicago Press, 1962.7 J.A. Ratclife, "El sol, la tierra y las radiaciones. Introducción al estudio de la ionosfera y de la magnetosfera". Biblioteca para el Hombre Actual. Ed. Labor.8 J.L. Delcroix, "Introducción a la teoría de los gases ionizados", Ed. Alhambra, 1968. L. Spitzer, "Física de los Gases totalmente Ionizados", Ed. Alhambra, 1969.9 J.F. Denisse y J.L. Delcroix, "Teoría de las ondas en los Plasmas", Ed. Alhambra, 1968.10 T.G. Cowling, "Magnetohidrodinámica", Ed. Alhambra, 1968.11 J.R. Reitz, F.J. Milford y R.W Christy, "Fundamentos de la teoría electromagnética", 4ª ed. Addison-Wesley Iberoamericana, 1996, cap. 14.12 M. Rodríguez Vidal y J.A. Vallés Abarca. Curso "Electromagnetismo, Unidad Didáctica 3, Ondas electromagnéticas libres", Temas X y XI, UNED 1977.13 P.C. Clemmow y J.P. Dougherty, "Electrodynamics of Particles and Plasmas". Addison-Wesley 1969.14 A. Grill, "Cold Plasma in Materials Fabrication. From Fundamentals to Applications", IEEE Press, 1994, pag. 20.15 Physics Today, vol. 45, nº 1, enero 1992, pags. 22-42.16 Physics Today, vol. 45, nº 9, sept. 1992, pags. 32-50.17 F.F. Chen. "Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion". 2 vols. Plenum Press, 1984.18 Europhysics News, vol. 29, nº 6, Nov/Dic 1998, "Fusion Special Issue".19 J.A. Vallés Abarca. "Bases fisico-químicas del procesado por Plasma" en Curso de Verano de la UCM, "Microelectrónica: Materiales y Dispositivos", 23-27 de julio de 1990.20 O. Auciello, A. Gras Martí, J.A. Vallés Abarca y D.L. Flamm, eds. "Plasma-Surface Interactions and Processing of Materials", NATO-ASI, Alicante, 4-16 de septiembre de 1989. Kluwer Academic Publishers 1990.21 T. Sugano, ed. "Applications of Plasmas Processes to VLSI Technology", Wiley-Interscience, 1985.22 M.A. Satorre Aznar. "Evolución de la materia en el espacio: modelos de laboratorio para aplicaciones astrofísicas". Tesis Doctoral, 1998.23 M. Pastor Blas, et al. "Surface characterization of Synthetic Vulcanized Rubber Treated with Oxigen Plasma", Surface and Interface Analysis, vol. 26, 385-399 (1998).24 J. Mora, et al. "Evaluation of a microwave desolvation system in ICP mass spectrometry with low acid concentration solutions". Journal of Analytical Atomic Spectrometry, vol. 13, 175-181 (1998).
I.2 Acte d'obertura del curs acadèmic 1998-1999 (2 d'octubre de 1998) |
