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(Archivos en rojo-historia) Índice 4.Electrones 4H. Thomson, 1896 4a. Fluido eléctrico 5. Líneas de campo 5H. Faraday 1846 5a-1. Inducción EM-1 5a-2. Inducción EM–2 6. Ondas EM 7. Plasma 7a.Lámpara fluorescente 7H. Langmuir, 1927 8.Iones positivos 8H. Arrhenius, 1884

El plasma se llama a veces «el cuarto estado de la materia», más allá de los tres conocidos: sólido, líquido y gas. Se trata de un gas en el que los átomos se han dividido en electrones negativos que flotan libremente e iones positivos, átomos que han perdido electrones y se han quedado con una carga eléctrica positiva. En la baja atmósfera en la que vivimos, cualquier átomo que pierde un electrón (por ejemplo, al ser golpeado por una rápida partícula de rayo cósmico) pronto lo recupera o uno similar. La situación es muy diferente a altas temperaturas, como las que existen en el Sol. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus átomos y moléculas, y a temperaturas muy altas, las colisiones entre esos átomos que se mueven tan rápido son lo suficientemente violentas como para arrancar electrones. En la atmósfera del Sol, una gran fracción de los átomos se «ioniza» en cualquier momento por estas colisiones, y el gas actúa como un plasma. A diferencia de los gases fríos (por ejemplo, el aire a temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y se ven muy afectados por los campos magnéticos. La lámpara fluorescente, ampliamente utilizada en el hogar y en el trabajo, contiene un gas inerte enrarecido con una fracción de vapor de mercurio, que produce un plasma cuando es calentado y agitado por la electricidad, procedente de la línea eléctrica a la que está conectada la lámpara. La línea de alimentación hace que un extremo sea eléctricamente positivo y el otro negativo (véase el dibujo siguiente), lo que hace que los iones (+) se aceleren hacia el extremo (-) y los electrones (-) hacia el extremo (+). Las partículas aceleradas ganan energía, chocan con los átomos, expulsan electrones adicionales y mantienen así el plasma, aunque algunas otras partículas se recombinen. Las colisiones también hacen que los átomos de mercurio emitan luz, y de hecho, esta fuente de luz es más eficiente que las bombillas convencionales. Las señales de neón y las farolas funcionan según un principio similar, y algunos dispositivos de plasma se utilizan (o se utilizaban) en la electrónica.

Como se ha señalado, el Sol está formado por plasma. Otro plasma importante en la naturaleza es la ionosfera, que comienza a unos 70-80 km por encima del suelo. Aquí los electrones son arrancados de los átomos por la luz solar de longitudes de onda cortas, que van desde el ultravioleta hasta los rayos X: no se recombinan con demasiada facilidad porque la atmósfera se enrarece cada vez más a gran altura y las colisiones no son frecuentes. En la parte más baja de la ionosfera, la «capa D» a 70-90 km, todavía se producen suficientes colisiones como para que desaparezca tras la puesta de sol. Entonces los iones y electrones restantes se recombinan, mientras que en ausencia de luz solar ya no se producen nuevos. Sin embargo, esa capa se restablece al amanecer. Por encima de los 200 km, las colisiones son tan poco frecuentes que la ionosfera persiste día y noche.

La ionosfera superior se extiende muchos miles de km en el espacio y se fusiona con la magnetosfera, cuyos plasmas están generalmente más enrarecidos pero también mucho más calientes. Los iones y electrones del plasma magnetosférico proceden en parte de la ionosfera inferior y en parte del viento solar (párrafo siguiente), y muchos detalles de su entrada y calentamiento aún no están claros.

Por último, existe el plasma interplanetario: el viento solar. La capa más externa del Sol, la corona, es tan caliente que no sólo todos sus átomos están ionizados, sino que aquellos que han comenzado con muchos electrones tienen varios de ellos (a veces todos) arrancados, incluyendo los electrones más profundos que están más fuertemente unidos. Por ejemplo, se ha detectado en la corona la luz característica del hierro que ha perdido 13 electrones.

Esta temperatura extrema también impide que el plasma de la corona quede cautivo de la gravedad del Sol, y en su lugar fluye en todas direcciones, llenando el sistema solar mucho más allá de los planetas más lejanos conocidos. A través del viento solar, el Sol da forma al lejano campo magnético de la Tierra, y el rápido flujo del viento (~400 km/s) suministra la energía que, en última instancia, impulsa la aurora polar, los cinturones de radiación y los fenómenos de las tormentas magnéticas.

Lectura adicional:

La física del plasma es un campo difícil y matemático, cuyo estudio requiere un profundo conocimiento de la teoría electromagnética. Algunos textos universitarios sobre electricidad y magnetismo tratan aspectos de la física del plasma, por ejemplo, el capítulo 10 de «Classical Electrodynamics» de J.D. Jackson. Preguntas de los usuarios:
*** Energía eléctrica y magnética
*** ¿Cómo se contiene un plasma?
*** ¿Puede la física del plasma explicar los rayos de bola?
*** ¿Es el fuego un plasma?
*** ¿Puede el plasma espacial ayudar a la propulsión de las naves espaciales?