El misterio de las centellas (1489)
Fenómenos no lineales en el plasma como consecuencia de la autoorganización
M. Sanduloviciu, E. Lozneanu y S. Popescu
Departamento de Física del Plasma, Universidad “Al.I.Cuza”, 6600 Iasi, RUMANIA
Resumen
Experimentos recientes realizados en plasma físico revelaron la posibilidad de establecer una relación directa entre la no linealidad y la creación de configuraciones de cargas espaciales con un comportamiento que suele atribuirse a los seres vivos. Tal complejidad autoorganizada “viable” actúa como la parte “vital” de un oscilador de plasma que trabaja con resistencia negativa diferencial y, en ciertas condiciones, como la causa genuina de la llamada inestabilidad de Turing.
1. Introducción
El plasma físico representa un sistema de muchas partículas interactuantes que en equilibrio térmico, en una buena aproximación, es asintóticamente estable [1]. Su fuerte comportamiento no lineal puede ser acentuado por la inyección de materia y energía. Esta inyección puede ser gradual o repentina. En el primer caso, el plasma evidencia una creación de orden intermitente controlada por la restricción externa, mientras que en el segundo caso el plasma se relaja, sólo debido a causas internas, en una estructura compleja ordenada [2].
2. Resultados experimentales y discusiones
La información concerniente a los procesos físicos involucrados en el comportamiento no lineal de un plasma en correlación con la creación intermitente de orden, pero también en la destrucción de orden, puede ser obtenida cuando la energía y la materia son continuamente inyectadas o extraídas en (de) un diodo como el que se muestra en la Fig. 1.
Fig. 1. Dispositivo experimental. Se ha trazado la característica I(V) cuando K1 está cerrado y K2 abierto.
Así, aumentando gradualmente el voltaje U de la fuente de alimentación de corriente continua externa conectada directamente a A, se observa que el plasma primero se adapta suavemente a la restricción externa. En esta fase la característica I(V) muestra una resistencia diferencial positiva (rama a?b en la Fig. 2). El plasma entre la fuente de plasma (PS) y el ánodo de la placa A alivia un primer comportamiento anómalo si V, el voltaje autoajustado entre la PS y A, alcanza el valor V1.
A partir de V1 la característica I(V) muestra una resistencia negativa diferencial (DNR) (rama b?c). Su aparición está relacionada con la formación frente a A de una carga espacial neta negativa local que actúa como barrera para I. Dicha barrera se forma por acumulación de aquella parte de electrones que obtuvieron, tras la aceleración hacia A, energías para las que la función de sección transversal de excitación de neutros comienza a aumentar. Perdiendo la energía después de la excitación de los neutros, los electrones se acumulan en una región bien localizada delante de A determinando la disminución de I. Esta acumulación local de electrones es una primera fase por la cual una restricción externa produce orden en el plasma. A partir de V2 aparecen procesos de ionización en la columna de plasma, de forma que su resistencia interna disminuye. Esto se evidencia en la rama c?d de la Fig. 2, de modo que se puede observar un DNR en forma de S en la característica estática I(V).
Fig. 2. Característica estática I(V) del diodo de plasma mostrado en la Fig. 1. La rama h?i corresponde a las fuertes oscilaciones estimuladas en un sistema resonante acoplado al dispositivo.
Al aumentar aún más U, V alcanza un segundo valor crítico V3 para el cual I aumenta bruscamente. Este aumento repentino de I demuestra la aparición espontánea de una nueva fuente de partículas cargadas [1,3,4]. El proceso físico capaz de explicar este comportamiento [1] es la formación frente a A de una doble capa eléctrica (DL) que rodea a la bola de fuego mostrada en la Fig. 3. Observamos que la aparición de la bola de fuego tiene lugar espontáneamente porque su generación corresponde a un proceso interno durante el cual se autoensambla una estructura ordenada caracterizada por un valor mínimo local de la energía libre. Su “nacimiento” va acompañado de una “expulsión” de entropía [2].
Fig. 3. Fotografía de la bola de fuego
Cuando, en condiciones especiales como las descritas en [5], se forman bolas de fuego en el ánodo unidimensional, sus posiciones recíprocas están determinadas por las fuerzas electrostáticas repulsivas que actúan entre ellas [6]. Por lo tanto, cambiando el voltaje del ánodo para que la bola de fuego se reproduzca en forma de una columna positiva estriada, las mismas fuerzas electrostáticas repulsivas determinan la filamentación de corriente observada. La presencia de las fuerzas electrostáticas se comprobó experimentalmente utilizando en lugar de un ánodo lineal, similar al descrito en [5], dos ánodos puntuales colocados a una distancia tal que el efecto de las fuerzas repulsivas puede observarse directamente (Fig. 4).
Fig. 4. Representación esquemática de dos columnas estriadas positivas entre las que actúan fuerzas electrostáticas repulsivas. El dispositivo experimental utilizado es similar al descrito en [5].
El fenómeno más espectacular aparece en el diodo de plasma en forma de estructuras ordenadas temporalmente. Estas aparecen cuando U se aumenta aún más de modo que V = V4 e I disminuye bruscamente (rama f?g). La estructura temporal ordenada se acentúa en la característica dinámica I(V) mostrada en la Fig. 5 (obtenida cuando U se barre con una frecuencia cerrada a la modulación I). Su aparición permite explicar el desafiante problema no resuelto de la relación entre orden espacial y temporal.
Fig. 5. Característica dinámica I(V) que demuestra la aparición de un DNR en forma de N en el valor promediado de I.
Así, investigando el comportamiento de la bola de fuego formada frente a A, comprobamos experimentalmente la presencia de una dinámica autosostenida durante la cual su viabilidad está asegurada por un intercambio rítmico de materia y energía entre la bola de fuego y el plasma circundante [1,3,4].
La presencia de una estructura auto-organizada capaz de sostener, por procesos internos, su viabilidad revela también el origen genuino del DNR usualmente evidenciado en la característica estática I(V). En esta característica I(V) corresponde realmente a la intensidad I promediada medida en condiciones en las que está presente la modulación de I antes mencionada, con una amplitud “negativa”. Se trata de un importante resultado experimental que demuestra que las estructuras complejas viables pueden actuar como parte “vital” de los osciladores. La estimulación de oscilaciones en un circuito resonante LC externo se comprobó experimentalmente utilizando el dispositivo mostrado en la Fig. 1. Fuertes oscilaciones aparecen en el circuito LC después de su conexión al diodo de plasma. Volviendo a la característica estática I(V) obtenida al disminuir U, observamos la presencia de fenómenos de histéresis. Estos fenómenos son características esenciales de los sistemas resultantes de la autoorganización [7]. Su presencia demuestra la capacidad de la estructura compleja autoorganizada para memorizar, después de “nacer”, su historia pasada. En otras palabras, dicha complejidad es capaz de mantener su estructura ordenada (autoorganizada) incluso en condiciones en las que la materia y la energía transferidas al sistema son menores que las necesarias para su génesis.
La creación de orden por inyección repentina de energía y materia en un sistema inicialmente en equilibrio termodinámico, puede observarse también en nuestro diodo de plasma. En este caso el momento inicial del proceso de autoorganización es una chispa eléctrica entre un electrodo adicional E y A (Fig. 1). Bajo tales condiciones en el punto de impacto de la chispa en la superficie A, se produce un plasma a alta temperatura. Debido a las diferencias entre las difusividades térmicas de los electrones y los iones positivos, los electrones abandonan esta región de forma que se genera un núcleo positivo bien localizado. Este núcleo actúa como un ánodo gaseoso iniciando un fenómeno de relajación que comprende una sucesión de procesos clave similar a la que se produce frente a A cuando se aumenta gradualmente su tensión [4].
3. Conclusiones
Dos ramas de la característica estática I(V) presentan especial interés para explicar el mecanismo que está en el origen de la DNR. La primera es la rama b?c?d?e?f que corresponde a la DNR en forma de S. Su origen está relacionado con la formación intermitente y la interrupción de una configuración de carga espacial autoorganizada (la bola de fuego) delante de A. La segunda es la rama f?g?h?i que evidencia la presencia de una DNR en forma de N. En el origen de esta DNR se encuentra una bola de fuego. En el origen de este DNR se encuentra la presencia de una estructura compleja autoorganizada capaz de autosostener, mediante procesos internos, un intercambio rítmico de materia y energía con el entorno.
Ambos DNR son capaces de estimular oscilaciones en un sistema resonante conectado de forma adecuada. La presencia de DNR en un oscilador de plasma [8] pero, muy probablemente, también en un oscilador de Gunn [9], estando ambos sistemas en un mundo unánime, sugiere una posible relación entre la fenomenología en el origen de la parte vital de un oscilador que funciona con DNR y las que aseguran la viabilidad de las estructuras celulares naturales.
Referencias
[1] M.Sanduloviciu, C. Borcia, G. Leu: Phys.Lett. A, vol. 208, p. 136, 1995;
[2] T. Sato: J. Korean Phys. Soc. (Proc.Suppl.) vol. 31, p. 109, 1997;
[3] M. Sanduloviciu, V. Melnig, C. Borcia: Phys.Lett. A, vol. 299, p. 354, 1997;
[4] M. Sanduloviciu: Roum. Rep. Phys, vol.49, p.475, 1997;
[5] E. Radehaus et al.: Phys. Rev. A, vol. 45, p. 2546, 1992;
[6] E. Lozneanu, G. Leu, M. Sanduloviciu: XXIII ICPIG Proc., vol II, pp.186, 1997;
[7] G. Nicolis, I. Prigogine: Exploring Complexity. Freeman & Co., New York, 1989.
[8] M. Sanduloviciu, E. Lozneanu, G. Leu: Roum. J. Phys. (in print);
[9] E. Lozneanu, M. Sanduloviciu: Proc. Xth Roum. Nat.Conf. Plasma Phys.&Appl. (in print)
https://web.archive.org/web/20210218184038/http://epsppd.epfl.ch/Praha/WEB/98ICPP_W/H094PR.PDF
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