En electromagnetismo , una descarga eléctrica en espiral , también conocida como descarga filamentosa , es un tipo de descarga eléctrica transitoria que se forma en la superficie de un electrodo conductor que lleva un alto voltaje en un medio aislante como el aire. Las descargas en espiral son chispas luminosas que se retuercen y se ramifican, canales de plasma compuestos de moléculas de aire ionizado , que salen repetidamente del electrodo al aire.
Al igual que las descargas de corona y las descargas en cepillo relacionadas , una descarga de serpentina representa una región alrededor de un conductor de alto voltaje donde el aire ha sufrido una ruptura eléctrica y se ha vuelto conductor ( ionizado ), por lo que la carga eléctrica se está filtrando del electrodo al aire. Ocurre cuando el campo eléctrico en la superficie de un conductor excede la rigidez dieléctrica del aire, alrededor de 30 kilovoltios por centímetro. Cuando el campo eléctrico creado por el voltaje aplicado alcanza este umbral, los electrones acelerados golpean las moléculas de aire con suficiente energía para sacar a otros electrones de ellas, ionizándolas, y los electrones liberados continúan golpeando más moléculas en una reacción en cadena. Estas avalanchas de electrones ( descargas de Townsend ) crean regiones ionizadas y eléctricamente conductoras en el aire cerca del electrodo. La carga espacial creada por las avalanchas de electrones da lugar a un campo eléctrico adicional, lo que hace que la región ionizada crezca en sus extremos, formando una descarga similar a un dedo llamada serpentina .
Las serpentinas son transitorias (existen solo por un corto tiempo) y filamentosas, lo que las hace diferentes de las descargas de corona . Se utilizan en aplicaciones como la producción de ozono, la purificación del aire o la medicina del plasma. [ cita requerida ] Si una serpentina alcanza el conductor de polaridad opuesta, crea un camino conductor ionizado a través del cual puede fluir una gran corriente, liberando una gran cantidad de calor, lo que resulta en un arco eléctrico ; este es el proceso a través del cual los líderes de los rayos crean un camino para los rayos. Las serpentinas también se pueden observar como sprites en la atmósfera superior. Debido a la baja presión, los sprites son mucho más grandes que las serpentinas a presión del suelo, vea las leyes de similitud a continuación.
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La teoría de las descargas de serpentinas fue precedida por la teoría de descarga de John Sealy Townsend [1] de alrededor de 1900. Sin embargo, quedó claro que esta teoría a veces era incoherente con las observaciones. Esto era especialmente cierto para descargas que eran más largas o a mayor presión. En 1939, Loeb [2] [3] y Raether [4] describieron de forma independiente un nuevo tipo de descarga, basándose en sus observaciones experimentales. Poco después, en 1940, Meek presentó la teoría de la descarga de chispas [5] , que explicaba cuantitativamente la formación de una serpentina autopropagante. Esta nueva teoría de las descargas de serpentinas explicó con éxito las observaciones experimentales.
Los serpentines se utilizan en aplicaciones como la generación de ozono, la purificación del aire y la combustión asistida por plasma. Una propiedad importante es que el plasma que generan es fuertemente inestable: los electrones tienen energías mucho más altas que los iones. Por lo tanto, se pueden desencadenar reacciones químicas en un gas sin calentarlo. Esto es importante para la medicina del plasma, donde las "balas de plasma", o serpentines guiados, [6] se pueden utilizar para el tratamiento de heridas, [7] aunque esto todavía es experimental.
Las corrientes eléctricas pueden surgir cuando se aplica un campo eléctrico intenso a un material aislante, normalmente un gas. Las corrientes eléctricas solo pueden formarse en áreas donde el campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica (campo de ruptura, campo disruptivo) del medio. Para el aire a presión atmosférica, esto es aproximadamente 30 kV por centímetro. El campo eléctrico acelera los pocos electrones e iones que siempre están presentes en el aire, debido a procesos naturales como los rayos cósmicos , la desintegración radiactiva o la fotoionización . Los iones son mucho más pesados, por lo que se mueven muy lentamente en comparación con los electrones. A medida que los electrones se mueven a través del medio, chocan con las moléculas o átomos neutros. Las colisiones importantes son:
Cuando el campo eléctrico se acerca al campo de ruptura, los electrones ganan suficiente energía entre colisiones para ionizar los átomos de gas, arrancando un electrón del átomo. En el campo de ruptura, hay un equilibrio entre la producción de nuevos electrones (debido a la ionización por impacto) y la pérdida de electrones (debido a la adhesión). Por encima del campo de ruptura, el número de electrones comienza a crecer exponencialmente y se forma una avalancha de electrones ( avalancha de Townsend ).
Las avalanchas de electrones dejan atrás iones positivos, por lo que con el tiempo se va acumulando cada vez más carga espacial . (Por supuesto, los iones se van alejando con el tiempo, pero este es un proceso relativamente lento en comparación con la generación de avalanchas, ya que los iones son mucho más pesados que los electrones). Finalmente, el campo eléctrico de toda la carga espacial se vuelve comparable al campo eléctrico de fondo. A esto a veces se lo denomina "transición de avalancha a serpentina". En algunas regiones, el campo eléctrico total será menor que antes, pero en otras regiones se hará mayor, lo que se denomina aumento del campo eléctrico. Las nuevas avalanchas crecen predominantemente en las regiones de alto campo, por lo que puede surgir una estructura que se autopropaga: una serpentina.
En los circuitos de corriente continua (CC), las corrientes que se forman en los electrodos con voltajes positivos y negativos son diferentes en apariencia y forma debido a diferentes mecanismos físicos.
Las corrientes negativas se propagan en dirección contraria al campo eléctrico, es decir, en la misma dirección que la velocidad de desplazamiento de los electrones . Las corrientes positivas se propagan en la dirección opuesta. En ambos casos, el canal de la corriente es eléctricamente neutro y está protegido por una fina capa de carga espacial. Esto conduce a un campo eléctrico mejorado en el extremo del canal, la "cabeza" de la corriente. Tanto las corrientes positivas como las negativas crecen por ionización por impacto en esta región de alto campo, pero la fuente de electrones es muy diferente.
En el caso de las corrientes negativas, los electrones libres se aceleran desde el canal hasta la región de la cabeza. Sin embargo, en el caso de las corrientes positivas, estos electrones libres tienen que venir desde más lejos, ya que se aceleran hacia el canal de la corriente. Por lo tanto, las corrientes negativas crecen de forma más difusa que las positivas. Debido a que una corriente difusa tiene menos realce de campo, las corrientes negativas requieren campos eléctricos más altos que las positivas. En la naturaleza y en las aplicaciones, las corrientes positivas son, por lo tanto, mucho más comunes.
Como se ha señalado anteriormente, una diferencia importante es que las corrientes positivas necesitan una fuente de electrones libres para su propagación. En muchos casos, se cree que la fotoionización es esta fuente. [8] En mezclas de gases nitrógeno-oxígeno con altas concentraciones de oxígeno, el nitrógeno excitado emite fotones UV que posteriormente ionizan el oxígeno. [9] Sin embargo, en nitrógeno puro o en nitrógeno con pequeñas mezclas de oxígeno, el mecanismo de producción de fotones dominante es el proceso de radiación de frenado . [10]
En sentido estricto, la corriente eléctrica es un frente de ionización en forma de filamento en crecimiento. Se puede identificar, al menos aproximadamente, un conjunto de parámetros que caracterizan a este frente de forma particular, como la velocidad de su crecimiento, el radio de la cabeza, etc., así como leyes físicas (ecuaciones) que relacionan estos parámetros entre sí. En una teoría de corrientes eléctricas en el aire, [11] la corriente "elige" la velocidad máxima disponible (y los demás parámetros están determinados únicamente por dichas leyes), de manera similar a cómo una inestabilidad lineal, por ejemplo, en un plasma, "elegiría" la longitud de onda que da el crecimiento más rápido. Este enfoque concuerda bien con los datos experimentales sobre velocidades positivas de las corrientes y sobre el umbral negativo de las corrientes, [12] así como con los resultados de una simulación mediante la resolución directa de ecuaciones hidrodinámicas. [11]
La mayoría de los procesos en una descarga de corriente continua son procesos de dos cuerpos, donde un electrón choca con una molécula neutra. Un ejemplo importante es la ionización por impacto , donde un electrón ioniza una molécula neutra. Por lo tanto, el camino libre medio es inversamente proporcional a la densidad numérica del gas . Si el campo eléctrico cambia linealmente con la densidad numérica del gas, entonces los electrones ganan en promedio la misma energía entre colisiones. En otras palabras, si la relación entre el campo eléctrico y la densidad numérica es constante, esperamos una dinámica similar. Las longitudes típicas escalan como , ya que están relacionadas con el camino libre medio.
Esto también motiva la unidad Townsend , que es una unidad física de la proporción.
Se ha observado que las descargas en experimentos de laboratorio emiten rayos X [13] y que las descargas de rayos emiten rayos X y destellos de rayos gamma terrestres , ráfagas de fotones con energías de hasta 40 MeV. [14] Estos fotones son producidos por electrones fugitivos , electrones que han superado la fuerza de fricción , a través del proceso de Bremsstrahlung . [15] Sin embargo, no se ha entendido completamente cómo los electrones pueden ganar energías tan altas en primer lugar, ya que chocan constantemente con las moléculas de aire y pierden energía. Una posible explicación es la aceleración de los electrones en los campos eléctricos mejorados de las puntas de los streamers. [16] Sin embargo, no es seguro si este proceso puede realmente explicar una tasa de producción suficientemente alta. [17] Recientemente, se ha propuesto que el aire ambiente se perturba en la proximidad de las descargas de los streamers y que esta perturbación facilita la aceleración de los electrones en el régimen de fuga [18] [19]
Las ondas de presión y de choque liberadas por descargas eléctricas son capaces de perturbar el aire en su vecindad hasta en un 80%. [20] [21] Sin embargo, esto tiene consecuencias inmediatas en el movimiento y las propiedades de las descargas secundarias en el aire perturbado: Dependiendo de la dirección (en relación con el campo eléctrico ambiental), las perturbaciones del aire cambian las velocidades de descarga, facilitan la ramificación o desencadenan el inicio espontáneo de una contradescarga. [22] Simulaciones recientes han demostrado que tales perturbaciones son capaces incluso de facilitar la producción de rayos X (con energías de varias decenas de keV) a partir de tales descargas, que son producidas por electrones desbocados a través del proceso de Bremsstrahlung . [23]
