Sonda de Langmuir: diagnóstico y análisis de plasma. Aprende su funcionamiento y su uso en investigaciones científicas para medir parámetros del plasma.
Sonda de Langmuir: Diagnóstico, Análisis e Investigación de Plasma
La física del plasma es una rama fascinante de la física que estudia los gases ionizados, es decir, gases compuestos por iones y electrones libres. Para entender y analizar estos plasmas, los científicos emplean diversas herramientas y técnicas, entre las cuales figura la sonda de Langmuir. Este instrumento es fundamental para el diagnóstico de plasmas en laboratorios y en el espacio.
Principios Básicos de la Sonda de Langmuir
La sonda de Langmuir, nombrada en honor al físico Irving Langmuir, es un dispositivo sencillo pero poderoso utilizado para medir diversas propiedades de un plasma. Entre las cantidades más comúnmente medidas están:
- Densidad de electrones
- Potencial del plasma
- Temperatura de electrones
Una sonda de Langmuir clásica consiste en un electrodo metálico insertado en el plasma. Este electrodo se aplica a un voltaje variable para recoger corrientes resultantes de la interacción con el plasma circundante. Las curvas de corriente-voltage obtenidas son críticas para determinar las propiedades del plasma.
Teoría Subyacente
La teoría detrás de la sonda de Langmuir se basa en la interacción de la sonda con las partículas cargadas del plasma. Dependiendo del potencial aplicado a la sonda, se pueden observar tres regiones principales en la curva de corriente-voltage:
- Región de saturación de iones: Cuando el potencial es menor que el potencial de plasma, la sonda recoge principalmente iones y la corriente es negativa.
- Región de caída de potencial flotante: Esta es la región en la que el potencial de la sonda es ligeramente negativo con respecto al plasma. Aquí, la corriente neta es casi cero.
- Región de saturación de electrones: Cuando se aplica un potencial mayor al potencial de plasma, la sonda recoge principalmente electrones y la corriente se vuelve positiva.
Fórmulas y Cálculos
Las fórmulas para calcular las propiedades del plasma usando una sonda de Langmuir son derivadas en gran medida de las ecuaciones básicas de la electrodinámica y la cinética de gases. Algunas de las ecuaciones más importantes utilizadas incluyen:
Corriente de ionización:
Para obtener la densidad de electrones ne, la corriente de ionización Ii es:
\[
I_i = A \cdot e \cdot n_i \cdot \sqrt{\frac{k T_e}{2 \pi m_i}}
\]
donde:
\begin{itemize}
Potencial de plasma:
El potencial de plasma Vp se puede determinar observando el punto en la curva de corriente-voltage donde la corriente neta es cero:
\[
V_p = V_f + \frac{k T_e}{e} \ln \left( \frac{m_i}{2 \pi m_e} \right)
\]
donde:
\begin{itemize>
\end{itemize>
Temperatura del electrón:
La temperatura de los electrones Te se puede encontrar utilizando la pendiente de la región de caída de potencial flotante en la curva de corriente-voltage:
\[
T_e = \frac{e}{k} \left(\frac{d \ln(I_e)}{dV}\right)^{-1}
\]
donde:
\end{itemz>