Plasma: el cuarto estado Teach article

Traducido por Ana Giménez. El plasma es el cuarto estado de la materia, además del sólido, el líquido y el gas. Pero, ¿cómo es? y ¿qué puede hacer? Los globos de plasma nos permiten responder estas preguntas… y más.

Con sus brillantes destellos rosas y rayos púrpuras, los globos de plasma son visualmente fascinantes. Pero estos impactantes orbes luminosos, ¿son algo más que un novedoso juego de mesa? Este artículo pretende reflejar la gran cantidad de física interesante que podemos mostrar, de manera entretenida, con estos enigmáticos dispositivos.

¿Qué son los globos de plasma?

Un globo o bola de plasma consiste en una esfera de vidrio grueso sobre una base con un dispositivo eléctrico. Dentro de la esfera hay un electrodo central y algo de gas inerte. Cuando encendemos el globo, el electrodo produce una corriente alterna de alto voltaje a alta frecuencia que calienta el gas a una temperatura elevada que divide los átomos en iones, lo que crea un estado de materia llamado plasma.

El plasma transmite la corriente con facilidad debido a su estado ionizado y esto produce las corrientes brillantes que vemos, al igual que el gas en un tubo fluorescente o una luz de neón que brillan cuando los encendemos. Pero, a diferencia de la luz de neón en la que la descarga eléctrica pasa directamente entre dos electrodos, un globo de plasma tiene un solo electrodo en el centro. Sin un único camino para que la descarga eléctrica se realice desde el centro del globo, las corrientes se mueven y giran alrededor constantemente, como un rayo en su trayectoria a la tierra.

El electrodo en el centro de un globo de plasma es un dispositivo llamado bobina de Tesla, que crea un campo eléctrico alterno que va más allá del globo mismo y alcanza el espacio circundante. Esto crea un campo electromagnético asociado en la misma zona. La intensidad de estos campos disminuye según aumenta la distancia a la bobina.

Exploramos el plasma

En Física se denomina plasma al cuarto estado de la materia, además del sólido, el líquido y el gasw1. Aunque es la forma más abundante de materia ordinaria en el Universo (representa más del 99 %), por lo general, no se encuentra nunca en la vida normal. Los globos de plasma pueden recrear estas situaciones y revelar algunas de sus propiedades, por ejemplo, su capacidad para conducir la electricidad.

En este primer experimento, los estudiantes acercan sus manos al globo y observan qué efecto produce. Puedes retarles a que expliquen por qué casi todas las corrientes se combinan en una sola, que se siente atraída hacia la mano y la sigue. La respuesta es que una mano colocada cerca del globo ayuda a que se produzca la descarga porque el cuerpo humano es mejor conductor que el aire y, por lo tanto, proporciona una ruta de escape más fácil para la energía eléctrica del globo.
 

Nota de seguridad

  • Asegúrate siempre que los uses de que tomas todas las medidas de seguridad necesarias requeridas cuando se trabaja con corrientes eléctricas ya que los globos de plasma son dispositivos eléctricos de alto voltaje.
  • Evita tocar el globo con objetos metálicos porque se calientan con rapidez y pueden causar quemaduras. Un posible experimento, si lo realizamos con cuidado, consiste en colocar una moneda en la parte superior del globo y, sobre ella, un trozo de papel. Si tocamos el papel con un objeto metálico, como una moneda o un clip, este quemará el papel produciendo un orificio.
  • Nunca cubras el globo cuando todavía esté encendido o caliente pues podría quemar la cubierta.
  • Apaga el globo entre un experimento y el siguiente o cada 30 minutos si observas que se sobrecalienta. Por lo general, los globos de plasma deberían funcionar correctamente durante toda una sesión. En estos casos, tendrás que encender el globo de plasma unos minutos antes de comenzar cada experimento.

Exploramos el campo electromagnético

¿Cómo podemos confirmar que los campos electromagnéticos invisibles alrededor del globo realmente están ahí? En estos tres experimentos los estudiantes emplearán diferentes tipos de bombillas para detectarlos y descubrirán algunas de sus propiedades.

Tiempo estimado: 20-30 min (debate incluido).

Materiales

  • Globo de plasma
  • Led (diodo emisor de luz por sus siglas en inglés) miniatura estándar
  • Bombilla fluorescente compacta de bajo consumo (15 W)
  • Bombilla incandescente (15 W)
  • Tubo fluorescente (18 W)
  • Opcional: bombilla fluorescente inservible (15 W)

Procedimiento

1) Experimento con led

Este sencillo experimento permite a los estudiantes explorar cómo varía un campo electromagnético con la distancia y cómo este puede hacer que una corriente circule en una lámpara sin cables ni baterías.

Enciende el globo de plasma e inicia el experimento solicitando a un alumno que tome el led y lo mantenga alejado del globo y que después, de forma gradual, lo acerque hasta que haga contacto con la superficie. El estudiante deberá sujetar el led por uno solo de sus electrodos. Si sostiene el led por la carcasa de vidrio o por ambos electrodos, la corriente no fluirá.

El led debería comenzar a brillar ya a cierta distancia del globo de plasma y hacerlo de forma más intensa a medida que lo acerca al globo.
 

Un led brilla cuando se mantiene a corta distancia del globo. En ocasiones, para que el led se ilumine, es posible que necesitemos una pequeña tira de papel de aluminio como conductor
Imagen cortesía de Jorge Yáñez González

Pide a los estudiantes que reflexionen sobre las siguientes preguntas:

  • ¿Por qué el led se ilumina cuando está cerca del globo?
  • ¿Por qué el led no se ilumina cuando está lejos del globo?
  • ¿Por qué es necesario sostener el led por un solo electrodo para que se ilumine?

Cuando el led está muy lejos del globo, el campo electromagnético producido por el globo de plasma no es lo suficientemente fuerte como para afectarle. Cuando el led está cerca del globo, el campo electromagnético causa una pequeña diferencia de voltaje a través de sus dos electrodos. Si sujetamos el led por uno solo de sus electrodos, se crea un circuito cerrado que genera un flujo de corriente en el led. Esto se debe a que el propio cuerpo del alumno, que actúa como conductor y conexión a tierra, cierra el circuito…y el led se ilumina. En cambio, si sujetamos el led por ambos electrodos no hay diferencia de potencial en él por lo que no se ilumina.

2) Experimento con bombilla compacta fluorescente

Podemos poner en práctica las mismas ideas sujetando una bombilla fluorescente por su base. Al igual que con el led, el brillo varía según su distancia al globo de plasma. En este caso, los estudiantes también pueden ver por sí mismos el efecto de la concentración de energía cuantificada en átomos.
 

Un led brilla sin tocar el globo de plasma. 
Imagen cortesía de Jorge Yáñez González

Al igual que con el led, solicita a los estudiantes que sostengan la bombilla a diferentes distancias del globo de plasma y que reflexionen sobre las siguientes preguntas:

  • ¿Hay una distancia máxima del globo a la cual la bombilla se ilumina?
  • ¿Qué podría estar sucediendo dentro de la bombilla para que se ilumine?

Si está lo suficientemente cerca del globo, el campo electromagnético del globo altera los electrones de los átomos de vapor de mercurio de su interior y estos saltan a un nivel de energía mayor. Cuando vuelven a su nivel normal emiten radiación ultravioleta (UV). Esta alteración requiere una cantidad mínima de energía por lo que la bombilla debe estar a una distancia específica del globo. La radiación UV es invisible para el ojo humano, pero el recubrimiento fluorescente de la bombilla la absorbe y después la emite a una energía más baja, que vemos como la luz blanca brillante.

3) Más experimentos con bombillas

Es interesante probar este experimento con un tubo fluorescente viejo e inservible, ya que la capacidad del tubo para encenderse probablemente volverá a funcionar dentro del campo electromagnético del globo de plasma. La mayoría de los tubos fluorescentes fallan porque, aunque los procesos físicos dentro del tubo se conservan sin cambios, el mecanismo de arranque para el proceso de iluminación deja de funcionar, por lo que en determinadas condiciones es posible que se encienda.

Además, podemos intentar repetir el experimento con una bombilla incandescente con filamento de tungsteno. En la actualidad el uso de los tubos fluorescentes y de los ledes es habitual debido a su bajo consumo de energía, razón también por la cual pueden encenderse simplemente al estar dentro del campo electromagnético de un globo de plasma. Sin embargo, las bombillas incandescentes consumen mucha más energía y, por lo tanto, no se encienden en estas condiciones.

También puede ser revelador usar un tubo fluorescente de baja tensión para explorar el campo electromagnético porque por su forma alargada los estudiantes pueden sostenerlo a lo largo en distintos puntos y en diferentes orientaciones.
 

Un tubo fluorescente siempre se ilumina no importa cual sea su tamaño
Image courtesy of Jorge Yáñez González

Pide a los estudiantes que acerquen el tubo fluorescente al globo para que brille con intensidad. Si lo sujetan con una mano en su punto medio verán que deja de brillar desde el punto de contacto hasta el extremo más alejado.
 

La mano actúa como barrera. Más allá, no se ilumina.
Image courtesy of Jorge Yáñez González

En este caso, el contacto de la mano con el tubo permite que la energía eléctrica se descargue en ese punto hacia la tierra y evita que la iluminación se extienda a lo largo del tubo más allá de ese punto.

Haz que salten chispas

En este experimento mostramos cómo crear algunas chispas seguras con el globo de plasma.

Tiempo estimado: 15-20 min (debate incluido).

Materiales

  • Globo de plasma
  • Papel de aluminio
  • Aguja de coser
  • Led

Procedimiento

Enciende el globo de plasma, espera un par de minutos y coloca una pequeña lámina de papel de aluminio (1 cm x 1 cm) sobre su parte superior. Después, muy despacio, lleva la aguja hacia la lámina. Cuando esté a medio centímetro, deberías ver saltar un arco eléctrico o chispa de la lámina a la aguja.
 

Podemos ver cómo la electricidad traspasa los límites del globo de plasma. 
Imagen cortesía de Jorge Yáñez González

El campo alterno del globo aumenta de forma progresiva la carga eléctrica en la lámina de aluminio, que es un buen conductor eléctrico, y crea la chispa. La aguja también es un conductor eléctrico pero no tiene carga. Cuando la acerques a la lámina, una gran cantidad de electrones saltarán de la lámina de aluminio a la aguja para neutralizar la diferencia de potencial eléctrico entre los dos materiales.

Al colocar la lámina de aluminio en el globo de plasma se crea un condensador. Los dos lados conductivos son el plasma y la lámina de aluminio. El cristal del globo de plasma actúa como un dieléctrico. Al acercar mucho un objeto metálico (la aguja) se produce una descarga rápida y podemos ver una pequeña chispa.

También podemos volver a nuestro experimento con el led y ver los efectos de colocar la lámina conductora sobre el globo de plasma. Coloca la lámina de aluminio sobre el globo de plasma, sujeta el led por uno de sus electrodos y acércalo despacio hacia la lámina. Observarás que, a diferencia del primer experimento, el led no se enciende incluso cuando está muy cerca. Sin embargo, a una distancia aproximada de 0,5 cm, deberías ver un salto de chispa de la lámina al led, que se iluminará mientras la chispa se extiende a través de él.
 

La chispa enciende un led.
Imagen cortesía de Jorge Yáñez González

En este caso, el led solo se ilumina con la chispa y no con el campo electromagnético del globo. Esto se debe a que la intensidad del campo electromagnético está relacionada de manera directa con el tamaño del globo de plasma. En los globos de plasma grandes, el campo electromagnético puede hacer que un led brille desde cierta distancia, pero en los globos de plasma pequeños utilizados, por lo general, en la educación, el campo es menos intenso y para que el led brille a igual distancia necesitamos conectarlo a un condensador (la lámina de papel de aluminio que doblamos en uno de los electrodos del led).

Más actividades

Podemos utilizar las actividades descritas con anterioridad como base para futuras investigaciones sobre temas de variedad energética. Los estudiantes pueden obtener más información sobre:

  • Bobinas de Tesla y su inventor, Nikola Tesla
  • Plasma, el cuarto estado de la materia. Se dice que el plasma es la forma más común de la materia en el Universo, ¿por qué?
  • El rendimiento energético de las diferentes bombillas y cuáles son las mejores para el medioambiente ¿Qué deberíamos hacer con ellas cuando ya no funcionan teniendo en cuenta que algunas contienen mercurio?

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Web References

  • w1 – Para información más amplia sobre el plasma, los globos de plasma y sus campos electromagnéticos, véase el artículo del sitio web sobre física CPEP.  

Resources

Author(s)

Jorge Yáñez González es Licenciado en Química por la Universidad Complutense de Madrid (España). Concienciado sobre las diferencias de género en la ciencia e interesado en el trabajo experimental en el aula, ha trabajado durante 15 años como profesor de Física y Química en escuelas de educación secundaria de Andalucía (España). En la actualidad, ejerce como técnico en actividades educativas en el Museo de Ciencias de Granada.


Review

Las bolas de plasma se utilizan con frecuencia para introducir un elemento sorpresa que atraiga a los estudiantes. Este artículo sugiere formas en las que una bola de plasma se puede utilizar en las aulas y proporciona detalles sobre la física subyacente.


Stuart Farmer, Robert Gordon’s College, Reino Unido




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