Contenido
Uno de los tejidos más importantes del cuerpo es la sangre, que consta de una parte líquida, elementos formados y sustancias disueltas en ella. El contenido plasmático de la sustancia es aproximadamente del 60%. El líquido se utiliza para preparar sueros para la prevención y el tratamiento de diversas enfermedades, identificación de microorganismos obtenidos del análisis, etc. El plasma sanguíneo se considera más eficaz que las vacunas y cumple muchas funciones: las proteínas y otras sustancias de su composición neutralizan rápidamente los microorganismos patógenos. y sus productos de descomposición, ayudando a formar inmunidad pasiva.
¿Qué es el plasma sanguíneo?
La sustancia es agua con proteínas, sales disueltas y otros componentes orgánicos. Si lo miras con un microscopio, verás un líquido transparente (o ligeramente turbio) con un tinte amarillento. Se acumula en la parte superior de los vasos sanguíneos después de la deposición de las partículas formadas. El líquido biológico es la sustancia intercelular de la parte líquida de la sangre. En una persona sana, el nivel de proteínas se mantiene constantemente al mismo nivel, pero en caso de enfermedad de los órganos que participan en la síntesis y el catabolismo, la concentración de proteínas cambia.
Cómo se ve
La parte líquida de la sangre es la parte intercelular del torrente sanguíneo, que consta de agua, sustancias orgánicas y minerales. ¿Cómo se ve el plasma en la sangre? Puede tener un color transparente o un tinte amarillo, debido a la entrada de pigmento biliar u otros componentes orgánicos en el líquido. Después de ingerir alimentos grasos, la base líquida de la sangre se vuelve ligeramente turbia y puede cambiar ligeramente de consistencia.
Compuesto
La mayor parte del fluido biológico es agua (92%). Qué se incluye en el plasma, además:
- proteínas;
- aminoácidos;
- enzimas;
- glucosa;
- hormonas;
- sustancias parecidas a las grasas, grasas (lípidos);
- minerales.
El plasma sanguíneo humano contiene varios tipos diferentes de proteínas. Los principales son:
- Fibrinógeno (globulina). Responsable de la coagulación sanguínea y juega un papel importante en el proceso de formación/disolución de coágulos sanguíneos. Sin fibrinógeno, la sustancia líquida se llama suero. Cuando aumenta la cantidad de esta sustancia, se desarrollan enfermedades cardiovasculares.
- Albúmina. Constituye más de la mitad del residuo seco del plasma. Las albúminas son producidas por el hígado y realizan tareas nutricionales y de transporte. Un nivel reducido de este tipo de proteína indica la presencia de patología hepática.
- Globulinas. Sustancias menos solubles que también son producidas por el hígado. La función de las globulinas es protectora. Además, regulan la coagulación sanguínea y transportan sustancias por todo el cuerpo humano. Las alfa globulinas, beta globulinas y gamma globulinas son responsables de la entrega de uno u otro componente. Por ejemplo, los primeros aportan vitaminas, hormonas y microelementos, otros se encargan de activar los procesos inmunológicos, transportar colesterol, hierro, etc.
Funciones del plasma sanguíneo.
Las proteínas desempeñan varias funciones importantes en el cuerpo, una de las cuales es nutricional: las células sanguíneas capturan proteínas y las descomponen mediante enzimas especiales, lo que hace que las sustancias se absorban mejor. La sustancia biológica entra en contacto con los tejidos de los órganos a través de líquidos extravasculares, manteniendo así el funcionamiento normal de todos los sistemas: la homeostasis. Todas las funciones plasmáticas están determinadas por la acción de las proteínas:
- Transporte. La transferencia de nutrientes a tejidos y órganos se realiza gracias a este fluido biológico. Cada tipo de proteína se encarga de transportar un componente particular. También es importante el transporte de ácidos grasos, principios activos medicinales, etc.
- Estabilización de la presión arterial osmótica. El líquido mantiene el volumen normal de sustancias en células y tejidos. La aparición de edema se explica por una violación de la composición de las proteínas, lo que conduce a una falla en la salida de líquido.
- Función protectora. Las propiedades del plasma sanguíneo son invaluables: apoya el funcionamiento del sistema inmunológico humano. El líquido del plasma sanguíneo contiene elementos que pueden detectar y eliminar sustancias extrañas. Estos componentes se activan cuando aparece un foco de inflamación y protegen los tejidos de la destrucción.
- Coagulación de la sangre. Ésta es una de las tareas clave del plasma: muchas proteínas participan en el proceso de coagulación de la sangre, evitando su pérdida significativa. Además, el líquido regula la función anticoagulante de la sangre y se encarga de prevenir y disolver los coágulos sanguíneos mediante el control de las plaquetas. Los niveles normales de estas sustancias mejoran la regeneración de los tejidos.
- Normalización del equilibrio ácido-base. Gracias al plasma, el cuerpo mantiene un nivel de pH normal.
¿Por qué se infunde plasma sanguíneo?
En medicina, las transfusiones a menudo no se realizan con sangre completa, sino con sus componentes específicos y plasma. Se obtiene por centrifugación, es decir, separando la parte líquida de los elementos formados, tras lo cual las células sanguíneas se devuelven a la persona que aceptó donar. El procedimiento descrito dura unos 40 minutos y se diferencia de una transfusión estándar en que el donante pierde mucha menos sangre, por lo que la transfusión prácticamente no tiene ningún efecto sobre su salud.
Un suero utilizado con fines terapéuticos se obtiene a partir de una sustancia biológica. Esta sustancia contiene todos los anticuerpos que pueden resistir los microorganismos patógenos, pero está libre de fibrinógeno. Para obtener un líquido transparente, se coloca sangre esterilizada en un termostato, después de lo cual el residuo seco resultante se retira de las paredes del tubo de ensayo y se mantiene en frío durante 24 horas. Posteriormente, el suero sedimentado se vierte en un recipiente esterilizado utilizando una pipeta Pasteur Directorio de Salud (Plasma Sanguíneo)
¡Atención! La información presentada en el artículo es sólo para fines informativos. Los materiales del artículo no fomentan el autotratamiento. Sólo un médico calificado puede hacer un diagnóstico y dar recomendaciones de tratamiento basadas en las características individuales de un paciente en particular.
¿Encontraste un error en el texto? Selecciónelo, presione Ctrl + Enter y ¡lo arreglaremos todo!La sangre humana está representada por 2 componentes: una base líquida o plasma y elementos celulares. ¿Qué es el plasma y cuál es su composición? ¿Cuál es el propósito funcional del plasma? Miremos todo en orden.
Todo sobre plasma
El plasma es un líquido formado por agua y sustancias secas. Constituye la mayor parte de la sangre, alrededor del 60%. Gracias al plasma, la sangre tiene un estado líquido. Aunque según los indicadores físicos (densidad), el plasma es más pesado que el agua.
Macroscópicamente, el plasma es un líquido homogéneo transparente (a veces turbio) de color amarillo claro. Se acumula en la parte superior de los vasos cuando se asientan los elementos formados. El análisis histológico muestra que el plasma es la sustancia intercelular de la parte líquida de la sangre.
El plasma se vuelve turbio después de que una persona consume alimentos grasos.
¿En qué está compuesto el plasma?
Se presenta la composición del plasma:
- Agua;
- Sales y sustancias orgánicas.
- Proteínas;
- Aminoácidos;
- Glucosa;
- hormonas;
- Sustancias enzimáticas;
- Minerales (iones Na, Cl).
¿Qué porcentaje del volumen plasmático es proteína?
Este es el componente más numeroso del plasma, ocupa el 8% de todo el plasma. El plasma contiene proteínas de varias fracciones.
Los principales:
- Albúmina (5%);
- Globulinas (3%);
- Fibrinógeno (pertenece a las globulinas, 0,4%).
Composición y objetivos de compuestos no proteicos en plasma.
El plasma contiene:
- Compuestos orgánicos a base de nitrógeno. Representantes: ácido úrico, bilirrubina, creatina. Un aumento en la cantidad de nitrógeno señala el desarrollo de azotomía. Esta condición ocurre debido a problemas con la excreción de productos metabólicos en la orina o debido a la destrucción activa de proteínas y la entrada de grandes cantidades de sustancias nitrogenadas al cuerpo. Este último caso es típico de diabetes, ayuno y quemaduras.
- Compuestos orgánicos que no contienen nitrógeno. Esto incluye colesterol, glucosa y ácido láctico. Los lípidos también les hacen compañía. Todos estos componentes deben ser monitoreados, ya que son necesarios para mantener el pleno funcionamiento.
- Sustancias inorgánicas (Ca, Mg). Los iones Na y Cl son responsables de mantener un pH constante de la sangre. También controlan la presión osmótica. Los iones Ca participan en la contracción muscular y estimulan la sensibilidad de las células nerviosas.
Composición del plasma sanguíneo Albumen
La albúmina en el plasma sanguíneo es el componente principal (más del 50%). Tiene un peso molecular pequeño. El lugar de formación de esta proteína es el hígado.
Propósito de la albúmina:
- Transporta ácidos grasos, bilirrubina, fármacos, hormonas.
- Participa en el metabolismo y la formación de proteínas.
- Reserva aminoácidos.
- Forma presión oncótica.
Los médicos juzgan el estado del hígado por la cantidad de albúmina. Si el contenido de albúmina en plasma disminuye, esto indica el desarrollo de patología. Los niveles bajos de esta proteína plasmática en los niños aumentan el riesgo de desarrollar ictericia.
Globulinas
Las globulinas están representadas por compuestos moleculares grandes. Son producidos por el hígado, el bazo y el timo.
Existen varios tipos de globulinas:
- α – globulinas. Interactúan con tiroxina y bilirrubina, uniéndolas. Catalizar la formación de proteínas. Responsable del transporte de hormonas, vitaminas, lípidos.
- β – globulinas. Estas proteínas se unen a vitaminas, Fe y colesterol. Transportan cationes Fe y Zn, hormonas esteroides, esteroles y fosfolípidos.
- γ – globulinas. Los anticuerpos o inmunoglobulinas se unen a la histamina y participan en reacciones inmunitarias protectoras. Son producidos por el hígado, el tejido linfático, la médula ósea y el bazo.
Hay 5 clases de γ-globulinas:
- IgG(alrededor del 80% de todos los anticuerpos). Se caracteriza por una alta avidez (proporción anticuerpo-antígeno). Puede penetrar la barrera placentaria.
- IgM- la primera inmunoglobulina que se forma en el feto. La proteína tiene gran avidez. Es el primero que se detecta en la sangre tras la vacunación.
- IgA.
- IgD.
- IgE.
El fibrinógeno es una proteína plasmática soluble. Es sintetizado por el hígado. Bajo la influencia de la trombina, la proteína se convierte en fibrina, una forma insoluble de fibrinógeno. Gracias a la fibrina, se forma un coágulo de sangre en lugares donde se ha comprometido la integridad de los vasos.
Otras proteínas y funciones.
Fracciones menores de proteínas plasmáticas después de globulinas y albúminas:
- Protrombina;
- transferrina;
- Proteínas inmunes;
- Proteína C-reactiva;
- Globulina fijadora de tiroxina;
- Haptoglobina.
Las tareas de éstas y otras proteínas plasmáticas se reducen a:
- Mantener la homeostasis y el estado de agregación de la sangre;
- Control de reacciones inmunes;
- Transporte de nutrientes;
- Activación del proceso de coagulación sanguínea.
Funciones y tareas del plasma.
¿Por qué el cuerpo humano necesita plasma?
Sus funciones son variadas, pero básicamente se reducen a 3 principales:
- Transporte de células sanguíneas y nutrientes.
- Establecer comunicación entre todos los fluidos corporales que se encuentran fuera del sistema circulatorio. Esta función es posible gracias a la capacidad del plasma para penetrar las paredes vasculares.
- Proporcionar hemostasia. Esto implica controlar el líquido que detiene el sangrado y eliminar el coágulo de sangre resultante.
El uso de plasma en la donación.
Hoy en día, no se transfunde sangre completa: el plasma y los componentes formados se aíslan por separado con fines terapéuticos. En los puntos de donación de sangre, la gente suele donar sangre específicamente para plasma.
sistema de plasma sanguíneo ¿Cómo obtener plasma?
El plasma se obtiene de la sangre mediante centrifugación. El método permite separar el plasma de los elementos celulares mediante un aparato especial sin dañarlos.. Las células sanguíneas se devuelven al donante.
El procedimiento de donación de plasma tiene una serie de ventajas respecto a la simple donación de sangre:
- El volumen de sangre que se pierde es menor, lo que significa que se causan menos daños a la salud.
- La sangre se puede volver a donar para plasma después de 2 semanas.
Existen restricciones sobre la donación de plasma. Por tanto, un donante no puede donar plasma más de 12 veces al año.
La donación de plasma no tarda más de 40 minutos.
El plasma es la fuente de material tan importante como el suero sanguíneo. El suero es el mismo plasma, pero sin fibrinógeno, pero con el mismo conjunto de anticuerpos. Son ellos quienes combaten los patógenos de diversas enfermedades. Las inmunoglobulinas contribuyen al rápido desarrollo de la inmunidad pasiva.
Para obtener suero sanguíneo, se coloca sangre esterilizada en una incubadora durante 1 hora. A continuación, el coágulo de sangre resultante se retira de las paredes del tubo de ensayo y se coloca en el refrigerador durante 24 horas. El líquido resultante se añade a un recipiente esterilizado utilizando una pipeta Pasteur.
Patologías sanguíneas que afectan la naturaleza del plasma.
En medicina, existen varias enfermedades que pueden afectar la composición del plasma. Todos ellos representan una amenaza para la salud y la vida humana.
Los principales son:
- Hemofilia. Se trata de una patología hereditaria cuando falta la proteína, que es la responsable de la coagulación.
- Intoxicación de la sangre o sepsis. Un fenómeno que se produce debido a que una infección ingresa directamente al torrente sanguíneo.
- Síndrome de CID. Una condición patológica causada por shock, sepsis, lesiones graves. Se caracteriza por trastornos de la coagulación sanguínea, que provocan simultáneamente hemorragia y formación de coágulos sanguíneos en los vasos pequeños.
- Trombosis venosa profunda. Con la enfermedad, se observa la formación de coágulos de sangre en las venas profundas (principalmente en las extremidades inferiores).
- Hipercoagulación. A los pacientes se les diagnostica coagulación sanguínea excesiva. La viscosidad de este último aumenta.
La prueba de plasma o reacción de Wasserman es un estudio que detecta la presencia de anticuerpos en plasma contra Treponema pallidum. En base a esta reacción se calcula la sífilis, así como la eficacia de su tratamiento.
El plasma es un líquido con una composición compleja que juega un papel importante en la vida humana. Es responsable de la inmunidad, la coagulación sanguínea y la homeostasis.
Vídeo - guía de salud (Plasma sanguíneo)
¿QUÉ ES EL PLASMA? El plasma es un gas parcial o totalmente ionizado que consta de partículas neutras y cargadas eléctricamente, en el que la carga eléctrica total es cero.
EL PLASMA ES EL CUARTO ESTADO DE LA MATERIA Ya en la antigüedad, los pensadores creían que el mundo constaba de cuatro elementos simples: tierra, agua, aire y fuego. En parte tenían razón. Estos elementos corresponden a los estados sólido, líquido y gaseoso de la materia y a la materia en estado plasma. A temperaturas superiores a 10.000°C, todas las sustancias se encuentran en su cuarto estado plasmático.
¿DÓNDE SE ENCUENTRA EL PLASMA? El plasma es el estado más común de la materia en la naturaleza y representa aproximadamente el 99% de la masa del Universo. El Sol, la mayoría de las estrellas y las nebulosas son plasma completamente ionizado. La parte exterior de la atmósfera terrestre (ionosfera) también es plasma. Aún más arriba se encuentran los cinturones de radiación que contienen plasma. Las auroras y los relámpagos, incluidos los relámpagos globulares, son tipos diferentes de plasma que se pueden observar en condiciones naturales en la Tierra.
CONDICIONES DE APARICIÓN DEL PLASMA Dependiendo de la temperatura, cualquier sustancia cambia de estado. Así, a temperaturas negativas el agua está en estado sólido, de 0 a 100 0 C - en estado líquido, por encima de 100 ° C - en estado gaseoso. Si la temperatura continúa aumentando, los átomos y las moléculas comienzan a perder sus electrones: se ionizan y el gas se convierte en plasma. Si una sustancia se calienta a una temperatura muy alta o se pasa a través de ella una fuerte corriente eléctrica, sus electrones comienzan a desprenderse de los átomos. Lo que queda de los átomos después de la eliminación de un electrón tiene una carga positiva y se llama ion; el proceso de eliminar electrones de los átomos se llama ionización. Como resultado de la ionización se obtiene una mezcla de partículas libres con cargas positivas y negativas. Esta mezcla se llamó plasma. A temperaturas superiores a 1.000 °C, el plasma está completamente ionizado: está formado únicamente por electrones e iones positivos.
TIPOS DE PLASMA El plasma generalmente se divide en ideal y no ideal, de baja y alta temperatura, en equilibrio y en no equilibrio. El plasma de gas generalmente se divide en temperatura baja (hasta 100 mil grados) y temperatura alta (hasta 100 millones de grados). Un ejemplo de plasma a baja temperatura es el fuego ordinario.
TIPOS DE PLASMA En un plasma en desequilibrio, la temperatura de los electrones excede significativamente la temperatura de los iones. Esto ocurre debido a la diferencia en las masas del ion y del electrón, lo que dificulta el proceso de intercambio de energía. Esta situación ocurre en las descargas de gas, cuando los iones tienen una temperatura de aproximadamente cientos y los electrones tienen una temperatura de aproximadamente decenas de miles de grados. En un plasma en equilibrio, ambas temperaturas son iguales. Dado que el proceso de ionización requiere temperaturas comparables al potencial de ionización, el plasma en equilibrio suele estar caliente (con una temperatura de más de varios miles de grados). El término plasma de alta temperatura se utiliza habitualmente para el plasma de fusión termonuclear, que requiere temperaturas de millones de Kelvin.
HISTORIA El cuarto estado de la materia fue descubierto por W. Crookes en 1879. Por primera vez, el término "plasma", antes sólo médico, fue utilizado en 1923 por los físicos estadounidenses Langmuir y Tonks, quienes comenzaron a utilizarlo para designar un estado especial. Estado de gas ionizado. Langmuir (1881-1957) y. Levi Tonko (1897-1971) llamó plasma al gas ionizado en un tubo de descarga de gas. El físico inglés William Crookes (1832-1919), que estudió las descargas eléctricas en tubos con aire enrarecido, escribió: “Los fenómenos en tubos al vacío abren un nuevo mundo para la ciencia física, en el que la materia puede existir en un cuarto estado”.
EL SOL Y LA IONOSFERA DE LA TIERRA El Sol es una enorme bola formada por plasma caliente. Una tranquila corriente de plasma fluye continuamente desde la superficie del Sol: el llamado viento solar. De vez en cuando se producen llamaradas en la superficie del Sol. Con cada una de estas llamaradas, una corriente de plasma de corta duración salpica al espacio. Estas corrientes de plasma, al llegar a la atmósfera terrestre, provocan en ella muchos fenómenos notables: auroras, tormentas magnéticas y perturbaciones de las comunicaciones por radio. El hecho es que hay una capa de plasma alrededor de la Tierra, solo que esta capa se encuentra en lo alto. Después de todo, el Sol, junto con la luz visible, envía rayos ultravioleta invisibles. Estos rayos actúan sobre los átomos del aire y les arrancan electrones, es decir, producen ionización. Resulta que las capas superiores de la atmósfera, la ionosfera, están formadas por aire ionizado, es decir, plasma.
USO DE PLASMA El plasma se utiliza más ampliamente en la tecnología de iluminación: en lámparas de descarga de gas que iluminan calles y lámparas fluorescentes utilizadas en interiores. Y además, en una variedad de dispositivos de descarga de gas: rectificadores de corriente eléctrica, estabilizadores de voltaje, amplificadores de plasma y generadores de ultra alta frecuencia (microondas), contadores de partículas cósmicas. Todos los llamados láseres de gas (helio-neón, criptón, dióxido de carbono, etc.) son en realidad plasma: las mezclas de gases que contienen se ionizan mediante una descarga eléctrica.
En una descarga de gas aparece una gran cantidad de iones positivos debido a la alta eficiencia de la ionización de impacto, y la concentración de iones y electrones es la misma. Este sistema de electrones e iones positivos distribuidos con la misma concentración se llama plasma . El término "plasma" fue introducido en 1929 por los físicos estadounidenses I. Langmuir y L. Tonks.
El plasma que aparece en una descarga de gas se llama descarga de gas; Incluye una columna positiva de descarga luminosa, un canal de chispas y descargas de arco.
La columna positiva representa el llamado plasma no isotérmico. En tal plasma, las energías cinéticas promedio de los electrones, iones y moléculas neutras (átomos) son diferentes.
Recordemos la relación entre la energía cinética promedio de las moléculas de un gas ideal (la presión del gas en una descarga luminosa es pequeña, por lo que puede considerarse ideal) y la temperatura.
Se puede argumentar que las temperaturas de los componentes del plasma son diferentes. Por tanto, la temperatura del electrón en una descarga luminosa de neón a una presión de 3 mm. rt. Art., aproximadamente 4∙10 4 K, y la temperatura de los iones y átomos es 400 K, y la temperatura de los iones es ligeramente superior a la temperatura atómica.
Plasma en el que se cumple la igualdad:(donde los índices " oh», « Y», « A"se refiere a electrones, iones, átomos) llamado isotérmico . Dicho plasma se produce durante la ionización a alta temperatura (arco quemado a presión atmosférica y superior, canal de chispa); por ejemplo, en un arco de presión ultraalta (hasta 1000 atm.), la temperatura del plasma alcanza los 10 000 K, la temperatura del plasma durante una explosión termonuclear es del orden de varias decenas de millones de grados, en la instalación TOKAMAK para el estudio de la termonuclear reacciones - del orden de 7∙10 6 K.
El plasma puede surgir no sólo cuando la corriente pasa a través de un gas. El gas también se puede convertir a un estado de plasma calentándolo a altas temperaturas. Las regiones internas de las estrellas (incluido el Sol) se encuentran en estado de plasma, cuyas temperaturas alcanzan los 10 8 K (figura 8.10).
La interacción de Coulomb de largo alcance de partículas cargadas en un plasma conduce a una singularidad cualitativa del plasma, lo que nos permite considerarlo especial. cuarto estado de la materia.
Las propiedades más importantes del plasma. :
El plasma es el estado de la materia más común en el Universo. El Sol y otras estrellas están compuestos de plasma de alta temperatura totalmente ionizado. La principal fuente de energía de radiación estelar son las reacciones de fusión termodinámica que ocurren en el interior de las estrellas a temperaturas enormes. Las nebulosas frías y el medio interestelar también se encuentran en estado de plasma. Se trata de plasma de baja temperatura, cuya ionización se produce principalmente mediante fotoionización bajo la influencia de la radiación ultravioleta de las estrellas. En el espacio cercano a la Tierra, el plasma débilmente ionizado se encuentra en los cinturones de radiación y la ionosfera de la Tierra. Los procesos que tienen lugar en este plasma están asociados con fenómenos como tormentas magnéticas, perturbaciones de las comunicaciones por radio de largo alcance y auroras.
El plasma de descarga de gas a baja temperatura, formado durante descargas incandescentes, de chispas y de arco en gases, se usa ampliamente en diversas fuentes de luz, en láseres de gas, para soldar, cortar, fundir y otros tipos de procesamiento de metales.
El principal interés práctico en la física del plasma está asociado con la solución del problema de la fusión termonuclear controlada, el proceso de fusión de núcleos atómicos ligeros a altas temperaturas en condiciones controladas. La producción de energía del reactor es de 10 5 kW/m 3 en la reacción.
a una densidad de plasma de 10 5 cm - 3 y una temperatura de 10 8 K.
Se propone contener plasma de alta temperatura (1950 URSS, I.E. Tamm, A.D. Sajarov) mediante un fuerte campo magnético en una cámara toroidal con bobinas magnéticas, abreviada como - tokamak. La figura 8.11 muestra circuito tokamak: 1 – devanado primario del transformador; 2 – bobinas de campo magnético toroidales; 3 – cámara interna con revestimiento y paredes delgadas para nivelar el campo eléctrico toroidal; 4 – bobinas de campo magnético toroidales; 5 – cámara de vacío; 6 – núcleo de hierro (núcleo magnético).
Actualmente, como parte de la implementación del programa termonuclear mundial, los últimos sistemas como tokamak. Por ejemplo, el primer ruso tokamak esférico"Globus-M". Está previsto crear un gran tokamak TM-15 para estudiar el control de la configuración del plasma. La construcción del tokamak KTM kazajo ha comenzado para probar tecnologías de energía termonuclear. La figura 8.12 muestra un diagrama en sección transversal del tokamak KTM y su vista con cámara de vacío.
La implementación de una reacción termonuclear controlada en plasma de alta temperatura permitirá a la humanidad en el futuro obtener una fuente de energía prácticamente inagotable.
Plasma de baja temperatura ( t~ 10 3 K) se utiliza en fuentes de luz de descarga de gas, láseres de gas y convertidores termoiónicos de energía térmica en energía eléctrica. Es posible crear un motor de plasma que sea eficaz para maniobrar en el espacio exterior y vuelos espaciales de larga duración.
El plasma sirve como fluido de trabajo en motores de cohetes de plasma y generadores MHD.
El movimiento del plasma en un campo magnético se utiliza en el método de conversión directa de la energía interna de un gas ionizado en energía eléctrica. Este método fue implementado en generador magnetohidrodinámico(generador MHD), cuyo diagrama de circuito se muestra en la Figura 8.13.
El gas ionizado altamente calentado, resultante de la combustión de combustible y del enriquecimiento de los productos de combustión con vapores de metales alcalinos, que aumentan el grado de ionización del gas, pasa a través de la boquilla y se expande en ella. En este caso, parte de la energía interna del gas se convierte en energía cinética. En un campo magnético transversal (en la Figura 8.9, el vector de inducción del campo magnético se dirige más allá del plano del dibujo), los iones positivos se desvían bajo la acción de las fuerzas de Lorentz hacia el electrodo superior. A, y los electrones libres van al electrodo inferior. A. Cuando los electrodos están en cortocircuito con una carga externa, una corriente eléctrica fluye a través de ellos, dirigida desde el ánodo. A, Generador MHD, a su cátodo. A.
Las propiedades del plasma para emitir ondas electromagnéticas en el rango ultravioleta se utilizan en los modernos televisores de plasma de pantalla plana. La ionización del plasma en una pantalla plana se produce mediante una descarga de gas. Una descarga se produce cuando las moléculas de gas son bombardeadas por electrones acelerados por un campo eléctrico: una descarga independiente. La descarga se mantiene a un potencial eléctrico bastante alto: decenas y cientos de voltios. El relleno de gas más común para pantallas de plasma es una mezcla de gases inertes a base de helio o neón con la adición de xenón.
La pantalla de un televisor de pantalla plana o de un display que utiliza elementos de descarga de gas está formada por un gran número de celdas, cada una de las cuales es un elemento emisor independiente. La Figura 8.14 muestra el diseño de una celda de plasma que consta de un fósforo 1, electrodos 2 que inician el plasma 5, una capa dieléctrica (MgO) 3, vidrio 4, un electrodo de dirección 6. El electrodo de dirección, junto con la función principal de un conductor, realiza la función de un espejo que refleja la mitad de la luz emitida por el fósforo hacia el espectador.
La vida útil de una pantalla de plasma de este tipo es de 30 mil horas.
Las pantallas planas de descarga de gas que reproducen imágenes en color utilizan tres tipos de fósforos que emiten luz roja (R), verde (G) y azul (B). Un televisor de pantalla plana con una pantalla hecha de elementos de descarga de gas contiene alrededor de un millón de pequeñas células plasmáticas ensambladas en tríadas de píxeles RGB ( píxel – elemento de imagen).
A pesar de que casi toda la masa del Universo existe en estado de plasma, en condiciones terrestres encontramos plasma muy raramente, por ejemplo en casos como la descarga de un rayo o la descarga de una fuente de radiación. Sin embargo, toda la masa de las estrellas, incluido nuestro Sol (a excepción de las estrellas de neutrones) y la mayor parte de la masa interestelar, se encuentran en estado de plasma, en comparación con el cual toda la masa restante del universo es "basura". Todos los planetas, asteroides, lunas, cometas e incluso nuestra propia Tierra son parte de esa "basura". El plasma es una fuente de ondas electromagnéticas y, en particular, de luz visible. En el plasma de alta temperatura, las partículas cargadas eléctricamente se mueven a velocidades enormes. , interactuando entre sí y cambiando rápidamente las velocidades y direcciones del movimiento. El espectro de dicha radiación es continuo. En el plasma de baja temperatura hay átomos con electrones unidos en capas de electrones. Sus interacciones conducen a transiciones de electrones entre diferentes niveles de energía en el electrón. conchas La energía liberada como resultado de tales transiciones a niveles inferiores también se emite en forma de ondas electromagnéticas. El espectro de esta radiación tiene un patrón de líneas o bandas.
Las propiedades del plasma difieren bastante de las propiedades de los sólidos, líquidos y gases. Por tanto, se considera que el plasma es el cuarto estado de la materia.
¿Qué es el plasma? En principio, el plasma es materia en un estado altamente ionizado, correspondiente a algunas otras condiciones (ya que la materia siempre está ionizada hasta cierto punto). No sólo en los gases, sino también en los sólidos, muchos electrones libres (que se mueven sobre un fondo de iones cargados positivamente firmemente fijados en una red cristalina) se pueden observar en forma de plasma. Por definición, el plasma es un gas casi neutro de partículas cargadas y neutras que se comportan colectivamente. ¿Qué quiere decir esto?
Las moléculas neutras interactúan sólo a través de colisiones mutuas de tal manera que su comportamiento depende únicamente del comportamiento de sus moléculas vecinas más cercanas. Sin embargo, el movimiento de partículas cargadas eléctricamente puede crear áreas de mayores o menores concentraciones de carga positiva o negativa y, por tanto, campos eléctricos. A través de la interacción electromagnética, estas regiones influyen en el movimiento de otras partículas cargadas a grandes distancias, ya que
Las fuerzas de Coulomb (electrostáticas) son mucho más fuertes y duraderas que las fuerzas de interacción entre átomos y moléculas.
La densidad de las partículas cargadas eléctricamente en un plasma debe ser lo suficientemente alta para que las interacciones electromagnéticas dominen las colisiones entre átomos y moléculas neutros. De ahí el movimiento específico del plasma. Por comportamiento colectivo nos referimos a movimientos que dependen no sólo de las condiciones en las inmediaciones, sino también de las condiciones del plasma a grandes distancias. Por tanto, el plasma tiene un efecto sobre sí mismo. Este movimiento se puede observar claramente, por ejemplo, en las erupciones (prominencias).
La densidad de las partículas cargadas eléctricamente en un plasma también debe ser alta para que las interacciones electromagnéticas dominen las colisiones entre átomos y moléculas neutros. En estas condiciones, el gas ionizado es capaz de bloquear campos eléctricos externos, formando cargas espaciales. Estas cargas espaciales interfieren con los cambios que las crearon, actúan contra ellas y establecen un nuevo equilibrio. Alrededor de una carga eléctrica externa, que se incorpora al plasma y se mantiene allí mediante una fuerza externa, se forma una carga espacial protectora de partículas cargadas con cargas opuestas, como se muestra en la figura. 4.1.
El ancho de esta capa aumenta con la temperatura y disminuye al aumentar la densidad de partículas. Esto es comprensible. La energía cinética de las partículas cargadas provoca un blindaje insuficiente, de modo que fuera de la carga espacial el campo eléctrico no es cero, sino que se aproxima a cero, como se muestra en la figura. 4.2.
Por esta razón, las partículas cercanas a la capa protectora tienen suficiente energía cinética para dejar bien el potencial creado por las fuerzas electrostáticas. Una temperatura más alta de las partículas cargadas conduce a una mayor difusión de la capa protectora y a su mayor anchura.
Por otro lado, cuanto mayor es la concentración de partículas cargadas, mayores son las fuerzas electrostáticas. En consecuencia, la carga espacial tiene un límite más definido. Las dificultades para determinar el límite exacto de la capa protectora llevan a la necesidad de introducir una nueva cantidad llamada longitud de Debye, que es una medida de la capacidad protectora del plasma. Las matemáticas dan una dependencia exponencial del potencial eléctrico (p) de la distancia d, y la longitud de Debye XD se define como la distancia a la que el potencial eléctrico
potencial (p() se reduce a -, donde e es una constante matemática conocida -
base de logaritmos naturales.
La cuasineutralidad significa que, desde una perspectiva macroscópica, la densidad de los electrones es efectivamente igual a la densidad de los iones incluso en pequeños volúmenes de plasma; esto se llama densidad plasmática. Por tanto, el plasma tiene una apariencia eléctricamente neutra, pero desde un punto de vista microscópico, las interacciones electromagnéticas de electrones e iones libres le dan al plasma algunas de sus características. Por ejemplo, la posibilidad de que electrones e iones tengan diferentes temperaturas en un mismo plasma; deriva o desplazamiento de partículas en un campo magnético; calentamiento del plasma mediante compresión adiabática de múltiples etapas en espejos magnéticos (o el llamado efecto pellizco); ondas de plasma (por ejemplo, oscilaciones de plasma, silbidos, ondas de choque, etc.); efectos no lineales (como la existencia de una capa de pared); borde del plasma (es decir, el límite entre las frecuencias de los fotones transmitidos y reflejados, es decir, las ondas electromagnéticas), etc. Una descripción más detallada de estos efectos está fuera del alcance de este capítulo. Ellos quienes son
interesados en estos temas, pueden encontrar información adicional en literatura especializada, por ejemplo en.
Para cumplir con la definición de plasma dada anteriormente, también se deben cumplir otras condiciones. El volumen de plasma debe ser mucho mayor (al menos un orden de magnitud) que la longitud de Debye. Sólo cuando todos los potenciales externos estén protegidos a distancias menores que el tamaño del plasma se mantendrá la cuasineutralidad. Además, el cribado de Debye será de naturaleza estadística si el número de partículas cargadas es lo suficientemente grande. Una pequeña cantidad de pares electrón-ion no pueden considerarse plasma.
La temperatura es el resultado del movimiento de partículas. Sin embargo, la temperatura del plasma requiere una interpretación ligeramente diferente a la habitual. En el plasma, la alta temperatura no está asociada con una alta energía térmica. Por ejemplo, en un tubo fluorescente, una descarga de arco de baja presión "quema" en una mezcla de vapores de Ar y Hg. Existen diferentes temperaturas en el mismo plasma porque los electrones y los iones tienen diferentes masas y se aceleran de manera diferente en el campo eléctrico. Por lo tanto tienen diferentes energías promedio. La temperatura de los electrones es del orden de T * 104K. Pero la presión del gas es baja, la concentración de partículas es relativamente pequeña y la capacidad calorífica es baja. La energía térmica se transfiere al tubo de vidrio mediante la acción de partículas emitidas al medio ambiente. La temperatura está determinada por la distribución estadística de la energía de las partículas individuales. Según la relación E = kT, donde k es la constante de Boltzmann y la temperatura T = 11.600 K corresponde a la energía E = 1 eV. Este fenómeno también se observa en la atmósfera terrestre. A altitudes superiores a h = 10.000 m desde la superficie de la Tierra, la atmósfera está más fuertemente ionizada bajo la influencia de la radiación cósmica. La temperatura del plasma alcanza valores superiores a T > 10.000 K, mientras que la temperatura del aire es muy baja. Cabe destacar que a una temperatura del plasma tan baja la tasa de ionización suele ser muy baja. La mayoría de los átomos se encuentran en estado neutro y sólo unos pocos están ionizados. El porcentaje de átomos ionizados es un valor pequeño.
En la Fig. 4.3 muestra áreas típicas de algunos tipos de plasma dependiendo de su densidad y energía electrónica. Para algunas áreas, también se dan órdenes de magnitud de las longitudes de Debye en metros. Evidentemente, el plasma tiene límites muy amplios. Puede existir en concentraciones de partículas cargadas desde 106 m~3 en el espacio interestelar hasta 106 m en los núcleos de las estrellas. Durante las explosiones de supernovas, la densidad puede ser incluso mayor. De la misma manera, las energías de las partículas cargadas pueden ascender a valores de aproximadamente E « 10 2 eV en el espacio interestelar, aproximadamente £ « 10 2 eV en un gas de iones y electrones en un sólido y hasta E * 104 eV en los núcleos de las estrellas más calientes. Pero, ¿qué tipo de plasma podemos encontrar normalmente en la Tierra?
El grado de ionización en el plasma de la llama en la combustión clásica o en los procesos de oxidación rápida es muy pequeño. Durante la combustión normal, la temperatura en la llama es aproximadamente T = 1000 K, y en quemadores especialmente diseñados alcanza un máximo de T = 4500 K.
|
■ espacio abierto |
En cuanto al plasma, estas temperaturas son muy bajas, pero este tipo de plasma es el más común en condiciones terrestres.
En el plasma de descarga eléctrica se pueden alcanzar temperaturas significativamente más altas. Los rayos parecen ser la única forma de plasma de mayor temperatura, con mayores grados de ionización, que ocurre espontáneamente en la naturaleza. Un relámpago es una descarga de chispa gigante en la que se forma plasma con una temperatura T = 3x104 K en un canal conductor con un diámetro de aproximadamente r = 0,1 m durante un período del orden de / = 10"6 s. El relámpago se calienta instantáneamente. el gas se expande, creando ondas acústicas, es decir, truenos. El plasma creado artificialmente en una descarga eléctrica se usa ampliamente en diversas tecnologías, cuya descripción está fuera del alcance de esta publicación.
El plasma de descarga eléctrica pertenece a la categoría de plasma de baja temperatura, aunque en él se alcanzan temperaturas del orden de T ~ 104 K. Por plasma de alta temperatura nos referimos a un plasma completamente ionizado en el que no existen átomos neutros. Este estado se forma a temperaturas 7’>105K. En el caso del plasma de hidrógeno, sólo puede producirse una mayor excitación al aumentar la temperatura. En plasmas de elementos más pesados, la energía suministrada se utiliza para la ionización repetida, es decir, la formación de más electrones. en el plasma
Además de los elementos pesados, los núcleos se “purifican” completamente a temperaturas alrededor de T «10e K. A tales temperaturas, los núcleos de los átomos de hidrógeno (protones) tienen suficiente energía cinética para superar las fuerzas repulsivas de cargas eléctricas idénticas y acercarse a ellas. cada uno tan cerca (^ = 1 (G|5m) como para causar reacciones nucleares. Tal plasma existe, por ejemplo, en los núcleos de las estrellas y en las profundidades de nuestro Sol en particular. Para “limpiar” núcleos aún más pesados, se necesitan temperaturas aún más altas son necesarios, ya que las cargas eléctricas nucleares son mayores y, por lo tanto, las fuerzas electrostáticas de repulsión entre los núcleos son mayores. A temperaturas de aproximadamente T = 10º K, alcanzables durante períodos cortos durante una explosión de supernova, los núcleos se dividen por completo, formando un plasma en en el que sólo pueden existir núcleos de hidrógeno libres (protones) y electrones libres.
|
|
A continuación, pasemos a la física de la liberación de energía nuclear. Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones. Sin embargo, la masa en reposo nuclear es inferior a la suma de las masas en reposo de los protones y neutrones libres que forman el núcleo. Este defecto de masa se convierte en energía de enlace nuclear que mantiene unido el núcleo.
Esto se expresa mediante la conocida fórmula de Einstein E - Ate2. La figura 4.4 explica la dependencia de la energía de enlace del número másico del núcleo. Es obvio que la energía puede obtenerse mediante la fusión de núcleos ligeros en núcleos más pesados, que se encuentran en el estado de núcleos estables, o mediante la fisión de núcleos más pesados también en núcleos estables. La fusión de núcleos ligeros se llama termonuclear.
reacción, o fusión nuclear, y tiene lugar en el núcleo de las estrellas. La masa del Sol está compuesta principalmente por núcleos de hidrógeno y electrones libres, una pequeña fracción de núcleos de helio y trazas de núcleos de litio, y posiblemente elementos más pesados. En mesa 4.1 proporciona ejemplos de algunas reacciones que ocurren en el núcleo solar. También se muestra la cantidad de energía liberada como resultado de diversas reacciones.
Tabla 4.1. Ejemplos de reacciones nucleares en el núcleo solar.
 |
El proceso de fisión de núcleos pesados puede tener lugar de forma controlada en reactores de fisión nuclear o como reacción de explosión nuclear incontrolada. El plasma de alta temperatura puede crearse artificialmente mediante una explosión nuclear o mediante dispositivos muy complejos, que normalmente funcionan en modo pulsado con duraciones que van desde microsegundos hasta milisegundos.
Estos dispositivos incluyen los llamados tori cerrados (tokamaks) y trampas magnéticas. Las trampas magnéticas son dispositivos que funcionan con efecto de pellizco, utilizan calentamiento por láser, etc. Sin embargo, la importancia práctica de estos dispositivos para la producción de energía mediante reacciones de fusión es actualmente muy limitada, a pesar de los intensos esfuerzos para mejorar su mejora técnica y su uso para la generación de electricidad. Una explosión nuclear en sí misma siempre es mínimamente útil para fines pacíficos.
El plasma a alta temperatura con núcleos completamente "purificados" se forma cuando todos los electrones se eliminan de los núcleos atómicos como resultado de una ionización múltiple. Un plasma de este tipo no puede emitir un espectro lineal, ya que los electrones están completamente libres y no pueden exhibir sobre-
desplazamiento entre niveles de energía en las capas electrónicas de los átomos. Por tanto, sólo se emiten fotones con la característica del ruido resultante de colisiones de partículas cargadas eléctricamente cuya dirección de movimiento cambia repentinamente, acompañada de la emisión de una onda electromagnética (fotón). El espectro de emisión de dicho plasma es muy amplio y continuo. Viaja a través de la región ultravioleta de alta energía hasta los rayos X. Esta energía fotónica se emite, es decir, se elimina del plasma. Sin su reposición, la temperatura del plasma comenzaría a disminuir y los electrones e iones comenzarían a recombinarse, es decir, el plasma simplemente desaparecería. En las estrellas, la energía irradiada hacia afuera se repone con la energía liberada como resultado de reacciones termonucleares que ocurren en sus núcleos. En el caso del plasma artificial (en ausencia de reacciones nucleares), para su mantenimiento es necesario suministrar energía desde el exterior de forma continua, por ejemplo en forma de electricidad, energía de campo eléctrico de alta frecuencia o radiación láser.
