Ley de Townsend

 El presente presente trabajo está está dedicado dedicado especialmente especialmente a  Nuestros padres padres quienes quienes se esfuerzan esfuerzan mucho mucho para darnos una mejor educación; a nuestro profesor quien nos transmite conocimientos que nos serán de gran utilidad para nuestro futuro y también va dedicado a todos nuestros compañeros con los cuales compartimos experiencias día a día y entre los cuales nos apoyamos para afrontar cualquier obstáculo. Gracias.

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Ley de Townsend

"

 La ciencia no es sino una perversión perversión de sí misma a

menos que tenga como objetivo final el mejoramiento de la humanidad"

 Nikola Tesla. Tesla.

III

Resumen y Abstract

Resumen Este trabajo de investigación tiene como objetivo fundamental, presentar una breve información sobre el proceso de ionización de un gas donde los  electrones libres acelerados  por un campo eléctrico suficientemente fuerte aumentan la conducctividad eléctrica a través del gas por un efecto en cascada causado por la  ionización de moléculas. Cuando decrece el número de cargas libres o se debilita el campo eléctrico, el fenómeno cesa. Debe su nombre al físico británico John Sealy Townsend, quien descubrió el mecanismo de ionización fundamental en sus trabajos realizados entre 1897 y 1901.

Palabras claves: Gases, Towsend, Ley de Coulomb, Electrostática, electrización.

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Ley de Townsend

Abstract This research work has as fundamental of the objective, to present a brief information on the ionization process of a gas where the free electrons accelerated by an electric field increased the electrical conductivity through the gas by a cascade effect caused by the ionization Molecules When The number of free loads decreases or the electric field weakens, the phenomenon ceases. It owes its name to the British physicist John Sealy Townsend, who discovered the mechanism of fundamental ionization in his works between 1897 and 1901.

Keywords: Gases, Towsend, Coulomb Act, Electrostatic, electrization.

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Contenido

Contenido Pág. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................... 7 CAPÍTULO 2. TEORIA DE TOWSEND PARA DESCARGAS ELECTRICAS EN GASES ................................................................................................................................. 7 2.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 7 2.2. SEGUNDO COEFICIONETE DE TOWNSEND ................................................... 10 2.3. ECUACION DE ONDA DE RAMSAUER-TOWNSEND. .................................... 14 CAPÍTULO 3. TEORIA DE CANALES PARA LA DESCARGA ELECTRICA EN GASES. .............................................................................................................................. 16 3.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 16 3.1.1. Canal dirigido al cátodo..................................................................................... 16 3.1.1. Canal dirigido al ánodo. .................................................................................... 17 3.2. CONCEPTO DE DESCARGA ELECTRICA EN GASES. .................................... 18 3.3. CLASIFICACIÓN DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES: ............. 19 3.3.1. Atendiendo a la Fuente De Ionización Del Gas ................................................ 20 3.3.1. Atendiendo a la Ruptura Del Gas ...................................................................... 20 3.4. DESCARGA TOWNSEND ..................................................................................... 23 3.4.1. Régimen De Descargas A Bajas Presiones........................................................ 23 3.4.2. Régimen De Descargas A Presiones Atmosféricas ..................................................... 24 CAPÍTULO 4. APLICACIONES DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES 25 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y BIBLIOGRAFIA ............................................... 26 5.1. Conclusiones ............................................................................................................ 26 5.2. Bibliografía .............................................................................................................. 27

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Contenido

Lista de figuras FIGURA 2.1-CURVA

DE SATURACIÓN 7 FIGURA 2.2-REPRESENTACION ESQUEMÁTICA DE LA MULTIPLICACIÓN DE ELECTRONES DENTRO DE LA AVALANCHA DE ELECTRONES. 9 FIGURA 2.3-VARIACION DE LA CORRIENTE EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA INTERELECTRODICA. 10 FIGURA 3.1-TEORIA DE CANALES PARA LA DESCARGA ELÉCTRICA EN GASES. CANAL DIRIGIDO AL CÁTODO16 FIGURA 3.2-A) FORMACIÓN DE LA CARGA ESPACIAL DEBIDA A LA AVALANCHA DE ELECTRONES. B) DISTORSIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO ED DEBIDO AL CAMPO ELÉCTRICO ASOCIADO A LA CARGA ESPACIAL 17 FIGURA 3.3- ZONAS FUNDAMENTALES DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS: PLASMA Y REGIÓN DE ELECTRODOS 19 19 FIGURA 3.4-DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES FIGURA 3.5- DESCARGA ELÉCTRICA PARCIAL (FUENTE: EXPERIMENTOS AT DE HENNING UMLAND (2008)) 21 FIGURA 3.6- DESCARGA ELÉCTRICA DISRUPTIVA (FUENTE: EXPERIMENTOS AT DE HENNING UMLAND (2008)) 21 FIGURA 3.7- FASES DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS DISRUPTIVAS EN GASES 22 22 FIGURA 3.8-RESPUESTA V-I FIGURA 3.9- CURVA TENSIÓN-CORRIENTE DE DIFERENTES TIPOS DE DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES 23 FIGURA 4.1- SECTORES DE APLICACIÓN: FABRICACIÓN DE CHIPS, ELÉCTRICO Y AEROESPACIAL 25

Lista de tablas Pág. TABLA 1-CONSTANTES

AY B PARA ALGUNOS GASES. (T=20 °C) ..................................................................... 10 TABLA 2: VALORES DEL SEGUNDO COEFICIENTE DE TOWSEND PARA DIFERENTES COMBINACIONES METALGAS ............................................................ ................................................................. ........................... 13

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Contenido

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Durante la segunda mitad del siglo XX ha habido un creciente interés en la medición de descargas parciales, ya que ha demostrado ser un buen indicador del estado de degradación de los aislantes eléctricos. De hecho, hay muchos laboratorios en donde se monitoriza la actividad de descargas parciales. Para contrastar con los datos existentes en las bibliografías sobre la degradación de los aislantes y estudiar la probabilidad de fallo del objeto bajo ensayo. Hoy en día, se asume en todos los niveles de investigación eléctrica, que un conocimiento adecuado del comportamiento de las descargas parciales en un aislante es muy ventajoso a la hora de determinar su vida útil. Por ello, se han desarrollado e implementado rápidamente nuevas tecnologías para la detección de descargas parciales con técnicas digitales. En 1912, Alemania físico C. Ramsauer descubierto la sección transversal de colisión de un electrón con átomos de gas está relacionada con la velocidad del electrón. Cuando la energía de los electrones es relativamente alta, la sección de dispersión de argón átomo aumenta con la reducción de la energía de los electrones. Pero cuando la energía de los electrones es menor que una docena eV, se encuentra la sección transversal de dispersión se reduce rápidamente a medida que la energía de la reducción de electrones.

CAPÍTULO 2. TEORIA DE TOWSEND PARA DESCARGAS ELECTRICAS EN GASES

2.1. INTRODUCCIÓN Townsend estudió el comportamiento dieléctrico de los gases mediante el análisis de la variación de la corriente medida entre dos electrodos paralelos en función de la tensión aplicada, encontrando que esta corriente se incrementa proporcionalmente con la tensión, hasta un valor a partir del cual se satura como se aprecia en el gráfico.

Figura 2.1-Curva de Saturación

Trabajo de investigación

El valor de saturación de corriente puede ser superado incrementando el voltaje, con lo cual la corriente presentara un comportamiento exponencial, el cual fue explicado en términos del número de pares de electrones disociados producidos por un electrón que se desplaza 1 cm dentro y en la dirección del campo eléctrico. A este concepto Townsend le llamó el “primer coeficiente de ionización”

Para una distancia X0 se tiene n0 electrones libres. Al asumir n es un número total de electrones a una distancia X del Cátodo, el incremento de electrones n a una distancia X esta dado por:

La ecuación (6) puede ser empleada en términos de corriente

El término exponencial de la ecuación (6) es llamado “Ley de avalancha de electrones” y

representa el número electrones producidos por un electrón en su viaje desde el cátodo hasta el ánodo. La multiplicación de electrones dentro de la avalancha se muestra esquemáticamente en el Figura 2.2.

9

Figura 2.2-Representacion esquemática de la multiplicación de electrones dentro de la avalancha de electrones.

La probabilidad de ionización dependerá de la intensidad del campo eléctrico E y de la densidad o presión p del gas; por lo tanto:

En la ecuación (8) se plantea la dependencia de α/p en función de E/p, l a cual, por métodos

experimentales, conduce a:

Donde k es la constante universal de Boltzmann y T la temperatura de la las constantes A y B es el proceso de ionización para determinados rangos de E/p y se pueden determinar exponencialmente. La tabla 2 muestra los valores de A y B para alguno de los gases más comunes dentro de los rangos específicos de E/p.

Trabajo de investigación

Tabla 1-Constantes Ay B para algunos gases. (T=20 °C)

Debido a la ionización por choque, la avalancha de electrones entrega moléculas de gas cargada positivamente que viajan hacia el cátodo. En la razón de que el camino libre medio de las partículas positivas es solamente un cuarto del camino libre medio de las partículas negativas, los iones positivos prácticamente no tienen acción en la ionización por choque. Sin embargo, los iones positivos al golpear con la superficie metálica del electrodo sacan nuevos electrones que se conocen como “ electrones de sucesión”, pues la energía de salida

necesaria es sólo una cuarta parte de la energía de ionización, y la masa de los iones positivos es 1.840 veces mayor que la de los electrones.

2.2. SEGUNDO COEFICIONETE DE TOWNSEND De acuerdo con la ecuación (7), una curva de log de I vs. D, debe mostrar una línea recta de  pendiente a, si para una presión p dada, E se mantiene constante. Sin embargo, Townsend comprobó experimentalmente que, aparte de cierto valor de d, se presenta no linealidad en la curva tal como lo muestra el Figura 2.3.

Figura 2.3-Variacion de la corriente en función de la distancia Interelectrodica.

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Para explicar esta no linealidad, Townsend planteo un segundo coeficiente debería afectar el comportamiento de dicha corriente. Primero consideró la liberación de en el gas asociado la colisión de iones positivos, y posteriormente la liberación de electrones del catodo por la incidencia de los mismos, de acuerdo con el mecanismo explicado anteriormente. El segundo coeficiente de Townsend es el número de “electrones de sucesión” que son sacados por los iones positivos al golpear con la superficie metálica del electrodo. Siguiendo el planteamiento de townsend se puede presentar el proceso completo teniendo en cuenta ambos coeficientes α y γ. Tomando n0 como el número de electrones  por segundo  procedentes del cátodo debido a la radiación externa, n como el número de la por segundo  procedentes de todas las fuentes que llegan al anodo y n+ como el número de electrones por segundo procedentes del cátodo por emision secundaria. La multiplicacion de electrones debe cumplir:

La diferencia entre el número electrones que llega al ánodo y el número de los que abandonan el cátodo es igual al número de iones que llega al cátodo; por consiguiente: Eliminando n+ de las dos ecuaciones anteriores e integrando para una distancia s:

O en términos de corriente

Igualmente, recordando la ecuación (6), se puede plantear la siguiente relación:

Los valores experimentales pueden ser determinados de la ecuación (9) por medio de mediciones de la corriente en el espacio interelectrodico para varias presiones, intensidades de campo eléctrico y longitudes de espacio, usando los correspondientes valores de α. Como

Trabajo de investigación

es de esperar de las consideraciones sobre los procesos de emisión de electrones del valor es fuertemente afectado por la naturaleza de la superficie del cátodo. Materiales con energías de trabajo bajas, en las mismas condiciones experimentales,  producirán mayores emisiones. El valor es relativamente pequeño para valores bajos de E/p y se incrementa con el aumento del valor E/p. Esto se debe a que para mayores valores de E/p habrá un mayor número de iones positivos y fotones de suficiente alta energía para sacar electrones cuando imparten sobre la superficie del cátodo. Lluwellyn Jones y Davies han estudiado la influencia de la superficie del cátodo sobre las características del aire y los correspondientes valores de γ Los cuales se presenta en la t abla

3 junto con los valores obtenidos de Hilgarth, para algunas combinaciones metal-gas.

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Tabla 2: Valores del segundo coeficiente de Towsend para diferentes combinaciones metal-gas

Trabajo de investigación

2.3. ECUACION DE ONDA DE RAMSAUER-TOWNSEND. Para los desarrollos de las otras ondas parciales, si se sigue con el factor en la ecuación

La amplitud

estará dada por:

Y la sección eficaz diferencial por unidad de ángulo sólido será dada por:

Sin embargo, usando las propiedades de ortogonalidad de los armónicos esféricos la sección eficaz total

Resultado que se reduce a nuestro resultado anterior para  potencial de forma que

Si se tiene un pozo de

Se requiere nuevamente la solución de la ecuación de Schrodinger que satisfaga la condición de frontera de que constante y distinto de 0 en el origen. Implica que

Presenta las soluciones para ondas donde soluciones que satisfacen estas condiciones son:

Y las

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Recordando las soluciones obtenidas al utilizar el corrimiento de fase

Estas soluciones deben ser iguales en en este punto

y

, tal que la función y su derivada sean continuas Igualando las funciones a sus derivadas en

despejando

De manera que es posible encontrar el y por ende la sección eficaz, si solamente ocurre dispersión de onda . En este caso la energía es suficientemente pequeña y La relación garantiza que solo habrá dispersión de onda s ( es muy pequeño, o ). Así es posible aproximar

La sección eficaz está dada por

Si

no existe la dispersión de onda . Esto implica que

.

Esto es conocido como el efecto Ramsauer-Townsend y ocurre en la dispersión de electrones lentos en átomos de gases raros. Cerca de 1eV las secciones eficaces presentan un mínimo y casi se desvanecen. En este caso las contribuciones de las otras ondas parciales l>0 no son significativas, haciendo válida la expansión en ondas parciales y la descripción del fenómeno en términos de ondas .

Trabajo de investigación

CAPÍTULO 3. TEORIA DE CANALES PARA LA DESCARGA ELECTRICA EN GASES.

3.1. INTRODUCCIÓN Esta teoría surge de la necesidad de explicar algunos fenómenos de la ruptura dieléctrica, que bajo ciertas condiciones de presión, la teoría de Townsend no aclara satisfactoriamente. Según Townsend, la ruptura debe producirse después del tiempo de tránsito que el electrón, o por lo menos en ese tiempo. Sin embargo resultados experimentales demostraron que en algunas ocasiones la ruptura ocurria en un tiempo menor sin presentarse efectos secundarios o de emisión católica. Es así como Raether, Meek y Loeb describen el proceso de ruptura dieléctrica en gases mediante la teoría de canales, dirigidos al cátodo o al ánodo.

3.1.1. Canal dirigido al cátodo. Fue desarrollado por Meek y Loeb para campo uniforme y se puede describir de la siguiente forma: cuando la avalancha electrónica cruza la región interelectrodica los portadores de carga negativa son absorbidos por el anodo, dejando un volumen de cargas positivas de forma cónica, como se aprecia en la Figura 14 a)

Figura 3.1-Teoria de canales para la descarga eléctrica en gases. Canal dirigido al cátodo Esta región de cargas positivas no es suficiente para producir la descarga puesto que su densidad es muy baja. No obstante en el gas que se encuentra alrededor de la avalancha, se  producen procesos de fotoionización, generando electrones que sí tiene alta densidad. Las avalanchas auxiliares, producidas por estos electrones, se generan alrededor del avalancha principal, intensificando la carga especial en el dirección al cátodo, Figura 14 b). Este proceso es a su vez ayudado por el refuerzo que produce la carga especial. El proceso continúa hasta que se extiende desde el ánodo hasta el cátodo Figura 14 c).

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3.1.1. Canal dirigido al ánodo. El desarrollo de esta teoría se debe a Raether. Se basa en el desplazamiento de portadores de carga dentro del avalancha, los iones positivos hacia el cátodo y los electrones hacia el ánodo, generando una concentración de carga en el espacio interelectrodico. La carga especial produce un campo eléctrico que es capaz de distorsionar el campo eléctrico externo aumentando en los extremos de las dos nubes de portadores y debilitándolo en el medio de ellas. Dicha distorsión se manifiesta en la transformación de la avalancha en canales de ionización o flaméaos que permiten el proceso de la descarga. En la Figura 3.2 se representa la distorsión del campo eléctrico debido a las cargas especiales en una avalancha de electrones. La hipótesis del mecanismo de canales de este tipo se fundamenta en la existencia de una  primera ionización por impacto, de acuerdo con segundo coeficiente de Townsend, y la fuerza de ionización en la cabeza de la carga especial, debida al efecto fotoeléctrico. La carga especial de portadores positivos y negativos se separa en dos esferas como se aprecia en la Figura 3.2, estando por su movilidad, más adelante la carga inicial negativa. El tamaño y la forma de las cargas especiales depende de las variables físicas tales como la difusión en el medio, la velocidad de arrastre de las cargas, la densidad del gas y la temperatura.

Figura 3.2- a) Formación de la carga espacial debida a la avalancha de electrones. b) Distorsión del campo eléctrico ED debido al campo eléctrico asociado a la carga espacial Alguna de las principales diferencias entre la teoría de Townsend y la teoría de canales son mencionadas a continuación:

Trabajo de investigación

•

Para que la avalancha electrónica planteada por Townsend se transforma en canales de ionización debe alcanzarse una cantidad crítica de no de portadores de carga. Este valor corresponde para un campo homogéneo en el aire a un (pd)=1500 Torr cm.

•

El tiempo de formación de la descarga por el mecanismo de canales se estima en un valor cercano a 10-7 segundos, mientras que para el mecanismo de Townsend es aproximadamente igual a 10-5 segundos, en una separación de 1 cm y bajo condiciones normales de presión.

•

El mecanismo de canales tiene su fundamento en la consideración de la carga especial.

•

El mecanismo de ruptura por canales se presenta cuando los efectos en el gas, ionización por iones positivos, foto ionización, etc. predominan sobre los secundarios en los electrodos, incidencia de iones, fotoemision, etc.

•

Sin embargo si los efectos electrodicos que prevalecen son los del gas, se tendría descargas eléctricas según la teoría de Townsend.

•

Es necesario mencionar que en los últimos años se ha encontrado algunas inconsistencias en la formulación de la teoría planteada por Meek en 1940, sobre la formulación de la descarga eléctrica; sin embargo, la generalización de sus resultados obliga a su actual utilización mientras se realizan estudios más profundos al respecto.

3.2. CONCEPTO DE DESCARGA ELECTRICA EN GASES. Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que un gas, que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética (de calor, de radiación o de un campo eléctrico, que provoca una diferencia de potencial entre los electrodos entre los que se sitúa el gas). La conducción eléctrica a través de este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue la ley de Ohm, sino que se rige por los procesos físicos elementales que se dan entre las partículas cargadas (electrones, iones, átomos y moléculas excitadas) transportadas en el plasma y  producidas y absorbidas en los electrodos.

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De hecho, para poder realmente comprender las descargas eléctricas en gases, se deben analizar el comportamiento de dichas partículas y los procesos fundamentales que se

Figura 3.3- Zonas fundamentales de las descargas eléctricas: plasma y región de electrodos (1) Columna de plasma, formada por la ionización del medio gaseoso. (2) Región de los electrodos, región anódica (próxima al ánodo (+)) y región catódica (próxima al cátodo (-)), esta última, de gran importancia, ya que es donde surgen los electrones, que junto con los iones, son las partículas fundamentales en los procesos de descarga.

3.3. CLASIFICACIÓN DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES: En el actual estado de la técnica, las descargas eléctricas en gases se clasifican genéricamente, atendiendo a dos criterios:

Figura 3.4-Descargas Eléctricas en Gases .

Trabajo de investigación

3.3.1. Atendiendo a la Fuente De Ionización Del Gas 1) Descargas eléctricas no espontáneas o no auto-mantenidas En este tipo de descargas, la conductividad eléctrica del gas se mantiene mediante fuentes exteriores de ionización (como son fuentes de alta temperatura o fuentes de radiación de diferentes tipos, principalmente de onda corta, como los rayos X o las radiación ultravioleta o la radiación gamma). Si se calienta un gas, parte de sus moléculas adquieren una energía lo bastante elevada, como para producir la ionización de otras moléculas del gas, al chocar éstas con las  primeras. Este tipo de ionización, se conoce como termo ionización. Al mismo tiempo el efecto de una radiación, puede “arrancar” electrones de un átomo o de una molécula neutra, ionizando por tanto, los átomos y moléculas del gas, denominándose a este tipo de ionización fotoionización. Cuando las fuentes externas presentan muy altas temperaturas o una radiación muy energética, se produce la ionización casi completa del gas, acompañándose la descarga de una corriente extremadamente fuerte. Este tipo de situaciones, se suele dar en el espacio interestelar y en las estrellas.

2) Descargas eléctricas espontáneas o auto-mantenidas En este tipo de descargas, la conductividad eléctrica es mantenida por la propia descarga, sin ninguna participación de una fuente exterior de calor o radiación. En este tipo de descargas, también se dan procesos de termo ionización y fotoionización,  pero no tienen su origen en fuentes externas, sino en la radiación y calor generados en la misma descarga. En este grupo se encuentran la mayoría de las descargas eléctricas usadas en las actividades laborales (luminarias, soldadura, máquinas de electroerosión (Electrical Discharge Machines (EDM), en terminología anglosajona)).

3.3.1. Atendiendo a la Ruptura Del Gas 1) Descargas eléctricas parciales Las descargas parciales son descargas eléctricas de pequeña energía y duración transitoria, en las que el medio gaseoso no es atravesado por completo por la corriente, no  produciéndose la ruptura del mismo.

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Figura 3.5- Descarga eléctrica parcial (Fuente: Experimentos AT de Henning Umland (2008)) 2) Descargas eléctricas disruptivas Las descargas disruptivas son aquellas descargas eléctricas, en las que la corriente consigue atravesar por completo el gas que separa a los electrodos a diferente potencial.

Figura 3.6- Descarga eléctrica disruptiva (Fuente: Experimentos AT de Henning Umland (2008)) En las descargas disruptivas, el gas ionizado produce un camino que permite el paso de la corriente de un electrodo a otro. Atendiendo a la tensión y corriente producidas durante las descargas disruptivas, se pueden diferenciar cinco fases, mostradas esquemáticamente en la siguiente figura:

Trabajo de investigación

Figura 3.7- Fases de las descargas eléctricas disruptivas en gases Otra importante forma de clasificar las descargas eléctricas en medios gaseosos, es analizando su respuesta tensión - corriente (en adelante, v-i) característica:

Figura 3.8-Respuesta V-I Nota (1): Se suele hablar de respuesta v-i a presión atmosférica o a baja presión, pero en verdad, los diferentes regímenes y tipos de descarga, no dependen sólo de la presión, sino que dependen del producto p·d, es decir, de la presión del gas (p) y de la separación entre electrodos (d). En la siguiente figura, se representa de forma esquemática, la respuesta v-i característica de los distintos tipos de descarga eléctrica en gases:

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Trabajo de investigación

En la transición D - F, se genera una distribución de campo eléctrico elevado en el cátodo, que origina la multiplicación electrónica necesaria para mantenerse, ya que el cátodo se conserva frío y no es capaz de generar suficiente corriente eléctrica. Se genera una columna  positiva, que es un plasma de no equilibrio térmico, pero casi neutro eléctricamente. En la zona F - G, la tensión de la descarga es constante. La intensidad varía gracias a que el área transversal en la cual se manifiesta la descarga va creciendo. A la zona D - G, se le conoce como régimen de descarga luminiscente normal. Sin embargo, en el punto G, comienza una zona denominada descarga luminiscente anormal (zona G - H’), en el que la descarga luminiscente ha agotado su capacidad de crecer en intensidad aumentando el área y comienza a requerir más tensión para la multiplicación de electrones, invadiendo toda la zona del cátodo que le es accesible. En el punto H’, la corriente es tan intensa que es capaz de calentar el cátodo hasta la

incandescencia, produciendo intensa emisión termoiónica y dando lugar a un arco (región tras el punto I), pasando por una transición inestable, denominada transición luminiscenciaarco (región H’ - I). La caída catódica para el arco, es más pequeña que para la descarga luminiscente de la región D - F.

3.4.2. Régimen De Descargas A Presiones Atmosféricas En el punto D se inicia una descarga denominada corona. La corona es una descarga de baja corriente (10-6 A) a presión atmosférica. Se desarrollan localmente (por ejemplo, en el extremo de cables) en campos eléctricos no uniformes. En el punto H, se produce la descarga de chispa (spark discharge, en terminología anglosajona), que es un régimen transitorio, en el que se crea un canal ionizado que une ambos electrodos, cuya creación es resultado de varias fases, que incluye el mecanismo streamer . En este régimen, la corriente es tan intensa que es capaz de calentar el cátodo hasta la incandescencia, produciendo intensa emisión termoiónica y dando lugar a un arco (región de I en adelante). El arco de la región I - J se denomina arco no térmico, porque el plasma que genera es de no equilibrio termodinámico (temperatura de electrones, iones y neutros son diferentes). Los arcos más allá del punto J, se denominan arcos térmicos, que constituye un plasma cercano al equilibrio termodinámico. Los arcos eléctricos son descargas de alta corriente (> 100 A) y muy brillantes. Se diferencian de las descargas luminiscentes en los mecanismos de emisión de electrones. En los arcos, los electrones se emiten por procesos termoiónicos, debido al calentamiento del cátodo. El plasma generado se encuentra en equilibrio termodinámico.

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CAPÍTULO 4. APLICACIONES DE LAS DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES Las descargas eléctricas crean y mantienen plasmas. En muchos casos, se ha aprendido a aprovechar las características y propiedades únicas de estos plasmas, aunque también junto a éstos, se producen fenómenos no deseados. De hecho, como se verá más adelante, al ser un fenómeno caótico complejo, cuya dinámica se formula bajo leyes magnetohidrodinámicas, muy influenciadas por los procesos y fenómenos microscópicos (procesos de ionización), es muy importante profundizar en su conocimiento físico a nivel microscópico, pero al mismo tiempo, es importante, seguir desarrollando modelos “macroscópicos” de los mismos.

Dos características de los plasmas creados durante las descargas, son las que los hacen especialmente útiles y a la vez dañinos, en las aplicaciones industriales actuales: Consiguen temperaturas y densidades de energía superiores a las que puedan conseguirse con cualquier otro medio químico o físico. Produce y engloba especies energéticas de amplio espectro (fotones de diferente longitud de onda, partículas cargadas, estados atómicos excitados,…)

Entre las actividades científicas y técnicas, en las que las descargas eléctricas juegan un  papel importante, caben destacar la industria de las fuentes de iluminación (fluorescentes, neones, etc…), la biomedicina, la fabricación de chips o la navegación espacial. Aunque

todas estas actividades, tienen que enfrentarse con los efectos negativos asociados a las descargas, su minimización es crucial en sectores como: •

Sector Eléctrico.

•

Sector Petroquímico y sectores donde se forman o

almacenan atmósferas

explosivas.

Figura 4.1- Sectores de aplicación: fabricación de chips, eléctrico y aeroespacial

Trabajo de investigación

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y BIBLIOGRAFIA 5.1. Conclusiones •

Para comprender la teoría de la descarga de atmosférica es necesario hacer una breve introducción a las dos teorías de descarga de gases actualmente reconocidas: la teoría de Townsend y la teoría de canales.

•

Townsend comprobó experimentalmente que, a partir de cierto valor de d, se  presenta no linealidad en la curva de log de I vs. D.

•

El segundo coeficiente de Townsend es el número de “electrones de sucesión” que

son sacados por los iones positivos al golpear con la superficie metálica del electrodo. •

La teoría de Canales surge de la necesidad de explicar algunos fenómenos de la ruptura dieléctrica, según Townsend, la ruptura debe producirse después del tiempo de tránsito del electrón, o por lo menos en ese tiempo. Sin embargo resultados experimentales demostraron que en algunas ocasiones la ruptura ocurría en un tiempo menor sin presentarse efectos secundarios o de emisión católica.

•

Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que un gas, que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética (de calor, de radiación o de un campo eléctrico, que provoca una diferencia de potencial entre los electrodos entre los que se sitúa el gas).

•

La conducción eléctrica a través de este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue la ley de Ohm

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5.2. Bibliografía •

FISHBANE-GASIOROWICZ-THORNTON. Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen II. México. 1993.

•

SERWAY, Raymond A. Física . Tomo II. México. 1999

•

http://books.google.com.pe/books?id=h3poxgtni58c&pg=pa129&dq=efecto+ra msauertownsend&hl=es&sa=x&ei=1y7ct_frfcpg6ahh2y22bw&ved=0ceaq6ae wag#v=onepage&q=efecto%20ramsauer-townsend&f=false

•

Introducción a la electrónica cuántica - escrito por paul hlawiczka

•

http://books.google.com.pe/books?id=s2aofz5douc&pg=pa159&lpg=pa159&dq=segundo+coeficiente+de+townsend&sour  ce=bl&ots=wkmmepcibe&sig=cov74lg1-07tirt_qrqgvvpnzi&hl=es&sa=x&ei=853ct5r6bot26ahk1ozecg&ved=0ce8q6aewb a#v=onepage&q=segundo%20coeficiente%20de%20townsend&f=false

•

El rayo: mitos, leyendas, ciencia y tecnología - horacio torres-sánchez

•

http://books.google.com.pe/books?id=oouybuhxawc&pg=pa58&lpg=pa58&dq=segundo+coeficiente+de+townsend&s ource=bl&ots=qky_7bpa_o&sig=qiyeu2wynroxxfuxo7vqisdn8na&hl=es&sa=x &ei=853ct5r6bot26ahk1ozecg&ved=0cekq6aewag#v=onepage&q=segundo%2 0coeficiente%20de%20townsend&f=false

•

http://es.wikipedia.org/wiki/efecto_ramsauer%e2%80%93townsend

•

Http://fisica.usac.edu.gt/public/tesis_lic/waleska_a/node27.html