Lámpara de plasma

Un dispositivo con una física muy interesante –y que resulta fácil de encontrar en tiendas de artículos de regalo– es el que se conoce como Lámpara de Plasma.
Una lámpara de plasma (Fig. 1) consta de una esfera de vidrio en la que se ha introducido un gas –típicamente un gas noble como helio (He) o argón (Ar), o una mezcla de ambos–, a muy baja presión –típicamente unos 100 Pa (pascales, por Blaise Pascal), es decir, una presión mil veces menor que la atmosférica (100.000 Pa)–. En el centro de la esfera se encuentra una bobina de Tesla –por Nikola Tesla, su inventor–, que es un transformador de corriente alterna –el Principio de Inducción de Faraday impide que haya transformadores de corriente continua– que consigue a partir de una corriente de diferencia de potencial de 220 V (voltios, por Alejandro Volta) elevar la diferencia de potencial entre el electrodo y las paredes de vidrio hasta los 9.000 V.

Con esta diferencia de potencial entre el electrodo en el centro de la esfera –supongamos que de radio 10 cm– y sus paredes de vidrio, que estarían a un voltaje cero, se crea un campo eléctrico E muy intenso –del orden de 90.000 V dividido metro. Cuando un electrón, que puede provenir de cualquier átomo del gas de la esfera, se encuentra en ese campo eléctrico, experimenta una fuerza, F, puesto que se trata de una partícula con carga eléctrica negativa, igual al producto del campo eléctrico creado, multiplicado por su carga, F=qE.
La fuerza ejercida por el campo eléctrico sobre la partícula cargada se transforma en trabajo W realizado sobre la misma a medida que la partícula se desplaza una distancia d, pues el trabajo es igual a la fuerza aplicada por el desplazamiento de dicha fuerza –que, en este caso, coincide con el desplazamiento del electrón–, W=Fd, es decir, W=qEd. Este trabajo realizado sobre el electrón se traduce en un aumento de la energía cinética –igual a la masa del electrón multiplicada por su velocidad al cuadrado y dividido todo por 2– del mismo, de acuerdo con el Teorema Trabajo-Energía (en la literatura anglosajona) o Teorema de las Fuerzas Vivas (en la literatura en castellano), W= K, es decir qEd = (m v^2)/2.
El punto clave para entender el funcionamiento de la lámpara de plasma es el siguiente. Para que muchos electrones participen en la carrera y se pueda ver el rastro que van dejando a su paso, es necesario que el primer electrón golpee a un átomo de He o Ar con energía suficiente como para arrancarle uno de sus electrones más externos –los átomos son núcleos de protones, con carga eléctrica positiva, y neutrones, sin carga eléctrica, unidos mediante la fuerza Fuerte, rodeados de electrones que se van disponiendo en capas cada vez más alejadas del núcleo–, entrando un segundo electrón en la carrera. La energía que se necesita para conseguirlo en los átomos de He o Ar es del unos 10 electron-volt –que es una unidad de energía igual al producto de la carga del electrón multiplicada por una diferencia de potencial de 1 V–.
Cada uno de estos dos electrones que ahora están libres se acelerará y arrancará otros dos y ya serán 4 electrones acelerándose, y así, 8, 16, 32, etc., sucesivamente hasta tener un conjunto de iones positivos, átomos a los que les falta un electrón, y electrones negativos. Este conjunto de iones positivos y electrones negativos es lo que se denomina un plasma, lo que da el nombre a la lámpara.
Así, si un electrón consigue moverse en ese campo eléctrico de 90.000 V/m, creado por la bobina de Tesla, durante una distancia lo suficientemente grande como para que al final del recorrido tenga una energía del orden de los 10 electron-volt se conseguirá el objetivo. En nuestro caso, esto significa que el electrón debe recorrer una distancia de una décima de milímetro bajo la acción del campo eléctrico anterior. El producto de la distancia 0,0001 m por los 90.000 V/m da unos 9 V, que multiplicado por la carga del electrón da los 9 electrón-volt, próximos a los 10 electrón-volt que se necesitan para empezar a arrancar otros electrones.
Pero el electrón debe conseguir moverse esa distancia sin chocar antes con un átomo de He o Ar, pues si choca antes, no conseguirá golpearlo con energía suficiente, rebotará y no arrancará ningún electrón nuevo, con lo que el flujo exponencial de electrones se detiene. Pero esa distancia de 1 décima de milímetro es una gran distancia. A presión atmosférica, el electrón no lo conseguiría. Por ejemplo, en el aire se necesita un campo eléctrico de unos 3.000.000 V/m (tres millones) para conseguir el mismo efecto, pues a esta presión hay muchísimos más elementos, moléculas de oxígeno o nitrógeno en el caso del aire, con los que chocar que cuando la presión sea mil veces menor. En este campo tan intenso el electrón tiene que recorrer una distancia unas 40 veces menor para conseguir la misma energía.
¿De dónde proviene la luz que se observa en la lámpara de plasma?. No de los propios electrones, que son invisibles. Cuando un átomo de He o Ar ha perdido un electrón, su tendencia natural es a recuperarlo. Una vez el átomo falto del electrón se encuentra con uno, intenta capturarlo y colocarlo en la órbita que abandonó anteriormente. Es en ese proceso de acomodarse desde una energía próxima a cero hasta una energía negativa, el electrón pierde energía y la emite en forma de luz. Como el electrón debe acomodarse en una órbita de energía muy precisa, la luz que emite tiene un color característico dependiendo del gas que haya dentro de la lámpara. Por eso, si el fabricante quiere una lámpara que emita luz de otro color, pone un gas diferente en su interior.
¿Y qué sucede cuando tocamos con un dedo en la esfera de vidrio? (Fig. 2) Lo que hacemos es aumentar la diferencia de potencial entre el centro y el vidrio, pues los seres humanos somos buenos conductores de la electricidad, y así se consigue que los electrones se aceleren más y se cree una corriente más intensa en la región entre el electrodo central y el punto tocado por el dedo.

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El Diario Montañes

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