La descarga eléctrica en gases se produce cuando la corriente eléctrica fluye a través de un medio gaseoso debido a la ionización del gas. Dependiendo de varios factores, la descarga puede emitir luz visible. Las propiedades de las descargas eléctricas en gases se estudian en relación con el diseño de fuentes de iluminación y en el diseño de equipos eléctricos de alta tensión.
Tipos de descarga
Efecto de avalancha entre dos electrodos. El evento de ionización original libera un electrón y cada colisión posterior libera otro electrón, por lo que de cada colisión surgen dos electrones: el electrón ionizante y el electrón liberado.Transición de incandescencia a descarga de arco en argón, aumentando la presión del gas .Características de voltaje-corriente de descarga eléctrica en neón a 1 torr, con dos electrodos planos separados por 50 cm. [ dudoso – discutir ] A: pulsos aleatorios por radiación cósmica B: corriente de saturación C: descarga de Townsend de avalancha D: descarga de Townsend autosostenida E: región inestable: descarga de corona F: descarga luminiscente subnormal G: descarga luminiscente normal H: descarga luminiscente anormal I: región inestable: transición de arco luminiscente J: arco eléctrico K: arco eléctrico La región AD se llama descarga oscura; hay algo de ionización, pero la corriente está por debajo de los 10 microamperios y no se produce una cantidad significativa de radiación. La región FH es una región de descarga luminiscente; el plasma emite un brillo tenue que ocupa casi todo el volumen del tubo; la mayor parte de la luz es emitida por átomos neutros excitados. La región IK es una región de descarga de arco; el plasma se concentra en un canal estrecho a lo largo del centro del tubo; se produce una gran cantidad de radiación.
I : Descarga de Townsend , por debajo del voltaje de ruptura . A voltajes bajos, la única corriente es la debida a la generación de portadores de carga en el gas por rayos cósmicos u otras fuentes de radiación ionizante. A medida que aumenta el voltaje aplicado, los electrones libres que transportan la corriente ganan suficiente energía para provocar una mayor ionización, lo que provoca una avalancha de electrones . En este régimen, la corriente aumenta de femtoamperios a microamperios, es decir, en nueve órdenes de magnitud, con muy poco aumento adicional en el voltaje. Las características de voltaje-corriente comienzan a disminuir cerca del voltaje de ruptura y el resplandor se hace visible.
II : descarga luminiscente , que se produce una vez que se alcanza el voltaje de ruptura. El voltaje a través de los electrodos cae repentinamente y la corriente aumenta hasta el rango de miliamperios. A corrientes más bajas, el voltaje a través del tubo es casi independiente de la corriente; esto se utiliza en tubos reguladores de voltaje de descarga luminiscente . A corrientes más bajas, el área de los electrodos cubiertos por la descarga luminiscente es proporcional a la corriente. A corrientes más altas, el resplandor normal se convierte en resplandor anormal, el voltaje a través del tubo aumenta gradualmente y la descarga luminiscente cubre cada vez más la superficie de los electrodos. La conmutación de baja potencia (tiratrones de descarga luminiscente), la estabilización de voltaje y las aplicaciones de iluminación (por ejemplo, tubos Nixie , decatrones , lámparas de neón ) operan en esta región.
La descarga luminiscente se produce cuando los electrones chocan con los átomos del gas y los ionizan. Para que se produzca una descarga luminiscente, el recorrido libre medio de los electrones debe ser razonablemente largo, pero más corto que la distancia entre los electrodos; por lo tanto, las descargas luminiscentes no se producen fácilmente a presiones de gas demasiado bajas o demasiado altas.
La tensión de ruptura de la descarga luminiscente depende de manera no lineal del producto de la presión del gas y la distancia entre electrodos, según la ley de Paschen . Para un determinado valor de presión × distancia, existe una tensión de ruptura mínima. El aumento de la tensión de impacto para distancias entre electrodos más cortas está relacionado con un recorrido libre medio demasiado largo de los electrones en comparación con la distancia entre electrodos.
Se puede añadir una pequeña cantidad de un elemento radiactivo al tubo, ya sea como una pieza separada de material (por ejemplo, níquel-63 en krytrons ) o como adición a la aleación de los electrodos (por ejemplo, torio ), para preionizar el gas y aumentar la fiabilidad de la ruptura eléctrica y la ignición por incandescencia o descarga de arco. También se puede utilizar un isótopo radiactivo gaseoso, por ejemplo, criptón-85 . También se pueden emplear electrodos de ignición y electrodos de descarga de mantenimiento. [2]
A menudo se utiliza la relación E/N entre el campo eléctrico E y la concentración de partículas neutras N, porque la energía media de los electrones (y, por lo tanto, muchas otras propiedades de la descarga) es una función de E/N. Aumentar la intensidad eléctrica E en un factor q tiene las mismas consecuencias que reducir la densidad del gas N en un factor q.
En 2002 se describió el uso de una descarga luminosa para resolver ciertos problemas cartográficos. [3] Según un artículo de Nature que describe el trabajo, [4] los investigadores del Imperial College de Londres demostraron cómo construyeron un minimapa que ofrece a los turistas indicadores luminosos de ruta. Para hacer el chip de una pulgada de Londres, el equipo grabó un plano del centro de la ciudad en un portaobjetos de vidrio. Al colocar una tapa plana en la parte superior, las calles se convirtieron en tubos huecos conectados. Los llenaron con gas helio e insertaron electrodos en los principales centros turísticos. Cuando se aplica un voltaje entre dos puntos, la electricidad corre naturalmente por las calles a lo largo de la ruta más corta de A a B, y el gas brilla como una pequeña tira de luz brillante. El enfoque en sí proporciona un novedoso método de computación analógica visible para resolver una amplia clase de problemas de búsqueda en laberintos basados en las propiedades de iluminación de una descarga luminosa en un chip microfluídico.
Referencias
^ Datos de referencia para ingenieros: radio, electrónica, computadoras y comunicaciones Por Wendy Middleton, Mac E. Van Valkenburg, pág. 16-42, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9
^ Manual de optoelectrónica, volumen 1 de John Dakin, Robert GW Brown, pág. 52, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
^ Reyes, DR; Ghanem, MM; Whitesides, GM; Manz, A. (2002). "Descarga luminiscente en chips microfluídicos para computación analógica visible". Lab on a Chip . 2 (2): 113–6. doi :10.1039/B200589A. PMID 15100843.
^ "Descarga luminiscente en chips microfluídicos para computación analógica visible". Nature . 27 de mayo de 2002. doi :10.1038/news020520-12.
