No hay dieléctricos absolutos en la naturaleza. El movimiento ordenado de partículas - portadoras de carga eléctrica - es decir, corriente, puede ser provocado en cualquier medio, pero requiere condiciones especiales. Consideraremos aquí cómo se desarrollan los fenómenos eléctricos en los gases y cómo un gas puede cambiar de un muy buen dieléctrico a un muy buen conductor. Nos interesarán las condiciones bajo las cuales surge, así como las características que caracterizan la corriente eléctrica en los gases.
Propiedades eléctricas de los gases
Un dieléctrico es una sustancia (medio) en la que la concentración de partículas - portadores libres de una carga eléctrica - no alcanza ningún valor significativo, por lo que la conductividad es despreciable. Todos los gases son buenos dieléctricos. Sus propiedades aislantes se utilizan en todas partes. Por ejemplo, en cualquier disyuntor, la apertura del circuito se produce cuando los contactos se colocan en una posición tal que se forma un espacio de aire entre ellos. Alambres en líneas eléctricastambién están aislados entre sí por una capa de aire.
La unidad estructural de cualquier gas es una molécula. Está formado por núcleos atómicos y nubes de electrones, es decir, es un conjunto de cargas eléctricas distribuidas en el espacio de alguna forma. Una molécula de gas puede ser un dipolo eléctrico debido a las peculiaridades de su estructura, o puede polarizarse bajo la acción de un campo eléctrico externo. La gran mayoría de las moléculas que componen un gas son eléctricamente neutras en condiciones normales, ya que las cargas que contienen se anulan entre sí.
Si se aplica un campo eléctrico a un gas, las moléculas adoptarán una orientación dipolar, ocupando una posición espacial que compensa el efecto del campo. Las partículas cargadas presentes en el gas bajo la influencia de las fuerzas de Coulomb comenzarán a moverse: iones positivos - en la dirección del cátodo, iones negativos y electrones - hacia el ánodo. Sin embargo, si el campo tiene un potencial insuficiente, no surge un único flujo dirigido de cargas, y se puede hablar más bien de corrientes separadas, tan débiles que deberían despreciarse. El gas se comporta como un dieléctrico.
Así, para que se produzca una corriente eléctrica en los gases, se requiere una gran concentración de portadores de carga libres y la presencia de un campo.
Ionización
El proceso de aumento similar a una avalancha en el número de cargas libres en un gas se denomina ionización. En consecuencia, un gas en el que hay una cantidad significativa de partículas cargadas se denomina ionizado. Es en tales gases que se crea una corriente eléctrica.
El proceso de ionización está asociado con la violación de la neutralidad de las moléculas. Como consecuencia del desprendimiento de un electrón aparecen iones positivos, la unión de un electrón a una molécula da lugar a la formación de un ion negativo. Además, hay muchos electrones libres en un gas ionizado. Los iones positivos y especialmente los electrones son los principales portadores de carga de la corriente eléctrica en los gases.
La ionización ocurre cuando se imparte cierta cantidad de energía a una partícula. Así, un electrón externo en la composición de una molécula, habiendo recibido esta energía, puede abandonar la molécula. Las colisiones mutuas de partículas cargadas con partículas neutras conducen a la eliminación de nuevos electrones, y el proceso adquiere un carácter similar al de una avalancha. La energía cinética de las partículas también aumenta, lo que promueve en gran medida la ionización.
¿De dónde proviene la energía utilizada para excitar la corriente eléctrica en los gases? La ionización de gases tiene varias fuentes de energía, según las cuales se acostumbra nombrar sus tipos.
- Ionización por campo eléctrico. En este caso, la energía potencial del campo se convierte en la energía cinética de las partículas.
- Termoionización. Un aumento de la temperatura también conduce a la formación de un gran número de cargas libres.
- Fotoionización. La esencia de este proceso es que los electrones reciben energía de los cuantos de radiación electromagnética: fotones, si tienen una frecuencia suficientemente alta (ultravioleta, rayos X, cuantos gamma).
- La ionización por impacto es el resultado de la conversión de la energía cinética de partículas en colisión en energía de separación de electrones. Así comoionización térmica, sirve como principal factor de excitación en gases de corriente eléctrica.
Cada gas se caracteriza por un determinado valor umbral: la energía de ionización necesaria para que un electrón se separe de una molécula y supere una barrera de potencial. Este valor para el primer electrón oscila entre varios voltios y dos decenas de voltios; se necesita más energía para eliminar el siguiente electrón de la molécula, y así sucesivamente.
Debe tenerse en cuenta que, simultáneamente con la ionización en el gas, se produce el proceso inverso: la recombinación, es decir, la restauración de las moléculas neutras bajo la acción de las fuerzas de atracción de Coulomb.
Descarga de gases y sus tipos
Entonces, la corriente eléctrica en los gases se debe al movimiento ordenado de partículas cargadas bajo la acción de un campo eléctrico que se les aplica. La presencia de tales cargas, a su vez, es posible debido a varios factores de ionización.
Entonces, la ionización térmica requiere temperaturas significativas, pero una llama abierta debido a algunos procesos químicos contribuye a la ionización. Incluso a una temperatura relativamente baja en presencia de una llama, se registra la aparición de una corriente eléctrica en los gases, y la experimentación con la conductividad del gas facilita la verificación. Es necesario colocar la llama de un mechero o vela entre las placas de un condensador cargado. El circuito previamente abierto debido al entrehierro en el capacitor se cerrará. Un galvanómetro conectado al circuito mostrará la presencia de corriente.
La corriente eléctrica en los gases se denomina descarga de gas. Hay que tener en cuenta quepara mantener la estabilidad de la descarga, la acción del ionizador debe ser constante, ya que debido a la recombinación constante, el gas pierde sus propiedades conductoras de electricidad. Algunos portadores de corriente eléctrica en gases, iones, se neutralizan en los electrodos, otros, electrones, que caen sobre el ánodo, se dirigen al "más" de la fuente de campo. Si el factor ionizante deja de operar, el gas se convertirá inmediatamente en dieléctrico nuevamente y la corriente cesará. Tal corriente, que depende de la acción de un ionizador externo, se denomina descarga no autosostenida.
Las características del paso de la corriente eléctrica a través de los gases se describen mediante una dependencia especial de la intensidad de la corriente con respecto al voltaje: la característica corriente-voltaje.
Consideremos el desarrollo de una descarga de gas en el gráfico de la dependencia corriente-voltaje. Cuando el voltaje sube a un cierto valor U1, la corriente aumenta proporcionalmente al mismo, es decir, se cumple la ley de Ohm. La energía cinética aumenta y, por lo tanto, la velocidad de las cargas en el gas, y este proceso se adelanta a la recombinación. En valores de voltaje de U1 a U2 se viola esta relación; cuando se alcanza U2, todos los portadores de carga llegan a los electrodos sin tener tiempo de recombinarse. Todas las cargas gratuitas están involucradas y un aumento adicional en el voltaje no conduce a un aumento en la corriente. Esta naturaleza del movimiento de cargas se llama corriente de saturación. Por lo tanto, podemos decir que la corriente eléctrica en los gases también se debe a las peculiaridades del comportamiento del gas ionizado en campos eléctricos de varias intensidades.
Cuando la diferencia de potencial entre los electrodos alcanza un cierto valor U3, el voltaje es suficiente para que el campo eléctrico provoque una ionización de gas similar a una avalancha. La energía cinética de los electrones libres ya es suficiente para la ionización por impacto de las moléculas. Al mismo tiempo, su velocidad en la mayoría de los gases es de unos 2000 km/s y superior (se calcula mediante la fórmula aproximada v=600 Ui, donde Ui es el potencial de ionización). En este momento se produce una ruptura de gas y se produce un aumento importante de corriente debido a una fuente de ionización interna. Por lo tanto, tal descarga se llama independiente.
La presencia de un ionizador externo en este caso ya no juega un papel en el mantenimiento de la corriente eléctrica en los gases. Una descarga autosostenida bajo diferentes condiciones y con diferentes características de la fuente de campo eléctrico puede tener ciertas características. Existen tipos de autodescarga como resplandor, chispa, arco y corona. Veremos cómo se comporta la corriente eléctrica en los gases, brevemente para cada uno de estos tipos.
Descarga luminosa
En un gas enrarecido, una diferencia de potencial de 100 (e incluso menos) a 1000 voltios es suficiente para iniciar una descarga independiente. Por lo tanto, una descarga luminiscente, caracterizada por una intensidad de corriente baja (de 10-5 A a 1 A), se produce a presiones de no más de unos pocos milímetros de mercurio.
En un tubo con gas enrarecido y electrodos fríos, la descarga luminiscente emergente parece un delgado cordón luminoso entre los electrodos. Si continúa bombeando gas desde el tubo, observarádesenfoque del cordón, y a presiones de décimas de milímetro de mercurio, el resplandor llena el tubo casi por completo. El brillo está ausente cerca del cátodo, en el llamado espacio del cátodo oscuro. El resto se llama columna positiva. En este caso, los principales procesos que aseguran la existencia de la descarga se localizan precisamente en el espacio catódico oscuro y en la región adyacente a él. Aquí, las partículas de gas cargadas se aceleran y expulsan electrones del cátodo.
En una descarga luminiscente, la causa de la ionización es la emisión de electrones del cátodo. Los electrones emitidos por el cátodo producen ionización por impacto de las moléculas de gas, los iones positivos emergentes provocan una emisión secundaria del cátodo, y así sucesivamente. El brillo de la columna positiva se debe principalmente al retroceso de los fotones por las moléculas de gas excitadas, y los diferentes gases se caracterizan por un brillo de cierto color. La columna positiva participa en la formación de una descarga luminiscente solo como una sección del circuito eléctrico. Si acerca los electrodos, puede lograr la desaparición de la columna positiva, pero la descarga no se detendrá. Sin embargo, con una mayor reducción en la distancia entre los electrodos, la descarga luminiscente no podrá existir.
Cabe señalar que para este tipo de corriente eléctrica en gases, la física de algunos procesos aún no se ha dilucidado por completo. Por ejemplo, la naturaleza de las fuerzas que provocan una expansión en la superficie del cátodo de la región que participa en la descarga sigue sin estar clara.
Descarga de chispas
Chispala ruptura tiene un carácter impulsivo. Ocurre a presiones cercanas a la normal atmosférica, en los casos en que la potencia de la fuente de campo eléctrico no es suficiente para mantener una descarga estacionaria. En este caso, la intensidad de campo es alta y puede alcanzar los 3 MV/m. El fenómeno se caracteriza por un fuerte aumento en la corriente eléctrica de descarga en el gas, al mismo tiempo que el voltaje cae extremadamente rápido y la descarga se detiene. Luego, la diferencia de potencial aumenta de nuevo y se repite todo el proceso.
Con este tipo de descarga, se forman canales de chispas de corta duración, cuyo crecimiento puede comenzar desde cualquier punto entre los electrodos. Esto se debe a que la ionización por impacto ocurre aleatoriamente en los lugares donde actualmente se concentra la mayor cantidad de iones. Cerca del canal de la chispa, el gas se calienta rápidamente y sufre una expansión térmica que provoca ondas acústicas. Por lo tanto, la descarga de la chispa va acompañada de crepitaciones, así como de la liberación de calor y un resplandor brillante. Los procesos de ionización por avalancha generan altas presiones y temperaturas de hasta 10 mil grados y más en el canal de la chispa.
El ejemplo más claro de descarga de chispa natural es el rayo. El diámetro del canal principal de chispas de rayos puede variar desde unos pocos centímetros hasta 4 m, y la longitud del canal puede alcanzar los 10 km. La magnitud de la corriente alcanza los 500 mil amperios, y la diferencia de potencial entre una nube tormentosa y la superficie de la Tierra alcanza los mil millones de voltios.
El rayo más largo de 321 km se observó en 2007 en Oklahoma, EE. UU. El poseedor del récord de duración fue un rayo, registradoen 2012 en los Alpes franceses, duró más de 7,7 segundos. Cuando cae un rayo, el aire puede calentarse hasta 30 mil grados, que es 6 veces la temperatura de la superficie visible del Sol.
En los casos en que la potencia de la fuente del campo eléctrico es lo suficientemente grande, la descarga de la chispa se convierte en un arco.
Descarga de arco
Este tipo de autodescarga se caracteriza por una densidad de corriente alta y un voltaje bajo (inferior a la descarga luminiscente). La distancia de ruptura es pequeña debido a la proximidad de los electrodos. La descarga se inicia por la emisión de un electrón desde la superficie del cátodo (para los átomos de metal, el potencial de ionización es pequeño en comparación con las moléculas de gas). Durante una ruptura entre los electrodos, se crean condiciones bajo las cuales el gas conduce una corriente eléctrica y se produce una descarga de chispa que cierra el circuito. Si la potencia de la fuente de voltaje es lo suficientemente grande, las descargas de chispas se convierten en un arco eléctrico estable.
La ionización durante una descarga de arco alcanza casi el 100%, la intensidad de la corriente es muy alta y puede ser de 10 a 100 amperios. A la presión atmosférica, el arco puede calentarse hasta 5-6 mil grados, y el cátodo, hasta 3 mil grados, lo que conduce a una intensa emisión termoiónica desde su superficie. El bombardeo del ánodo con electrones conduce a una destrucción parcial: se forma un hueco en él, un cráter con una temperatura de aproximadamente 4000 °C. Un aumento de la presión provoca un aumento aún mayor de las temperaturas.
Al esparcir los electrodos, la descarga del arco permanece estable hasta cierta distancia,lo que permite tratarlo en aquellas áreas de equipos eléctricos donde es dañino por la corrosión y quemado de los contactos que provoca. Se trata de dispositivos como interruptores de alta tensión y automáticos, contactores y otros. Uno de los métodos para combatir el arco que se produce al abrir los contactos es el uso de rampas de arco basadas en el principio de extensión del arco. También se utilizan muchos otros métodos: contactos puente, uso de materiales con un alto potencial de ionización, etc.
Corona de descarga
El desarrollo de una descarga de corona se produce a la presión atmosférica normal en campos claramente no homogéneos cerca de electrodos con una gran curvatura de la superficie. Estos pueden ser torres, mástiles, cables, varios elementos de equipos eléctricos que tienen una forma compleja e incluso cabello humano. Tal electrodo se llama electrodo de corona. Los procesos de ionización y, en consecuencia, el resplandor del gas tienen lugar solo cerca de él.
Una corona se puede formar tanto en el cátodo (corona negativa) cuando se bombardea con iones, como en el ánodo (positivo) como resultado de la fotoionización. La corona negativa, en la que el proceso de ionización se aleja del electrodo como resultado de la emisión térmica, se caracteriza por un brillo uniforme. En la corona positiva, se pueden observar serpentinas: líneas luminosas de una configuración quebrada que pueden convertirse en canales de chispa.
Un ejemplo de una descarga de corona en condiciones naturales son los incendios de San Telmo que ocurren en las puntas de los mástiles altos, las copas de los árboles, etc. Se forman a un alto voltaje de la corriente eléctrica.campos en la atmósfera, a menudo antes de una tormenta eléctrica o durante una tormenta de nieve. Además, se fijaron en el revestimiento de aeronaves que cayeron en una nube de ceniza volcánica.
La descarga de corona en los cables de las líneas eléctricas provoca pérdidas significativas de electricidad. A alto voltaje, una descarga de corona puede convertirse en un arco. Se combate de varias formas, por ejemplo, aumentando el radio de curvatura de los conductores.
Corriente eléctrica en gases y plasma
El gas total o parcialmente ionizado se denomina plasma y se considera el cuarto estado de la materia. En general, el plasma es eléctricamente neutro, ya que la carga total de sus partículas constituyentes es cero. Esto lo distingue de otros sistemas de partículas cargadas, como los haces de electrones.
En condiciones naturales, el plasma se forma, por regla general, a altas temperaturas debido a la colisión de átomos de gas a altas velocidades. La gran mayoría de la materia bariónica del Universo se encuentra en estado de plasma. Estas son estrellas, parte de la materia interestelar, gas intergaláctico. La ionosfera de la Tierra también es un plasma enrarecido y débilmente ionizado.
El grado de ionización es una característica importante de un plasma; sus propiedades conductoras dependen de ello. El grado de ionización se define como la relación entre el número de átomos ionizados y el número total de átomos por unidad de volumen. Cuanto más ionizado es el plasma, mayor es su conductividad eléctrica. Además, se caracteriza por una alta movilidad.
Vemos, pues, que los gases conductores de la electricidad están dentroLos canales de descarga no son más que plasma. Por lo tanto, las descargas luminiscentes y de corona son ejemplos de plasma frío; un canal de chispa de un rayo o un arco eléctrico son ejemplos de plasma caliente, casi completamente ionizado.
Corriente eléctrica en metales, líquidos y gases - diferencias y similitudes
Consideremos las características que caracterizan la descarga de gas en comparación con las propiedades de la corriente en otros medios.
En los metales, la corriente es un movimiento dirigido de electrones libres que no implica cambios químicos. Los conductores de este tipo se denominan conductores de primera especie; estos incluyen, además de metales y aleaciones, carbón, algunas sales y óxidos. Se distinguen por su conductividad electrónica.
Los conductores del segundo tipo son electrolitos, es decir, soluciones acuosas líquidas de álcalis, ácidos y sales. El paso de corriente está asociado con un cambio químico en el electrolito - electrólisis. Los iones de una sustancia disuelta en agua, bajo la acción de una diferencia de potencial, se mueven en direcciones opuestas: cationes positivos, al cátodo, aniones negativos, al ánodo. El proceso va acompañado de desprendimiento de gas o deposición de una capa de metal sobre el cátodo. Los conductores del segundo tipo se caracterizan por su conductividad iónica.
En cuanto a la conductividad de los gases, es, en primer lugar, temporal, y en segundo lugar, tiene signos de similitudes y diferencias con cada uno de ellos. Entonces, la corriente eléctrica tanto en los electrolitos como en los gases es una deriva de partículas con carga opuesta dirigidas hacia electrodos opuestos. Sin embargo, mientras que los electrolitos se caracterizan por una conductividad puramente iónica, en una descarga de gas con una combinacióntipos de conductividad electrónica e iónica, el papel principal pertenece a los electrones. Otra diferencia entre la corriente eléctrica en líquidos y gases es la naturaleza de la ionización. En un electrolito, las moléculas de un compuesto disuelto se disocian en agua, pero en un gas, las moléculas no se descomponen, sino que solo pierden electrones. Por lo tanto, la descarga de gas, como la corriente en los metales, no está asociada con cambios químicos.
La física de la corriente eléctrica en líquidos y gases tampoco es la misma. La conductividad de los electrolitos en su conjunto obedece la ley de Ohm, pero no se observa durante una descarga de gas. La característica de voltios-amperios de los gases tiene un carácter mucho más complejo asociado con las propiedades del plasma.
Vale la pena mencionar las características generales y distintivas de la corriente eléctrica en gases y en vacío. El vacío es casi un dieléctrico perfecto. "Casi", porque en el vacío, a pesar de la ausencia (más precisamente, una concentración extremadamente baja) de portadores de carga gratuitos, también es posible una corriente. Pero los portadores potenciales ya están presentes en el gas, solo necesitan ser ionizados. Los portadores de carga se extraen del vacío de la materia. Por regla general, esto ocurre en el proceso de emisión de electrones, por ejemplo, cuando se calienta el cátodo (emisión termoiónica). Pero, como hemos visto, la emisión también juega un papel importante en varios tipos de descargas de gas.
Uso de descargas de gas en tecnología
Los efectos nocivos de ciertas descargas ya se han discutido brevemente anteriormente. Ahora prestemos atención a los beneficios que aportan en la industria y en la vida cotidiana.
La descarga incandescente se utiliza en ingeniería eléctrica(estabilizadores de tensión), en tecnología de recubrimiento (método de pulverización catódica basado en el fenómeno de la corrosión catódica). En electrónica, se utiliza para producir haces de iones y electrones. Un campo de aplicación bien conocido para las descargas luminiscentes son las lámparas fluorescentes y las denominadas económicas y los tubos de descarga decorativos de neón y argón. Además, las descargas luminiscentes se utilizan en láseres de gas y en espectroscopia.
La descarga por chispa se usa en fusibles, en métodos electroerosivos de procesamiento de metales de precisión (corte por chispa, taladrado, etc.). Pero es más conocido por su uso en bujías de motores de combustión interna y en electrodomésticos (estufas de gas).
La descarga de arco, que se utilizó por primera vez en tecnología de iluminación en 1876 (vela de Yablochkov - "luz rusa"), todavía sirve como fuente de luz, por ejemplo, en proyectores y focos potentes. En ingeniería eléctrica, el arco se utiliza en rectificadores de mercurio. Además, se utiliza en soldadura eléctrica, corte de metales, hornos eléctricos industriales para fundición de acero y aleaciones.
La descarga de corona se utiliza en precipitadores electrostáticos para la limpieza de gases iónicos, contadores de partículas elementales, pararrayos, sistemas de aire acondicionado. La descarga de corona también funciona en fotocopiadoras e impresoras láser, donde carga y descarga el tambor fotosensible y transfiere el polvo del tambor al papel.
Así, los vertidos de gas de todo tipo encuentran los másaplicación amplia. La corriente eléctrica en los gases se utiliza con éxito y eficacia en muchas áreas de la tecnología.
