Un vía de chispas consiste en una disposición de dos electrodos conductores separados por un espacio normalmente lleno de un gas como el aire , diseñado para permitir el paso de una chispa eléctrica entre los conductores. Cuando la diferencia de potencial entre los conductores excede el voltaje de ruptura del gas dentro del espacio, se forma una chispa que ioniza el gas y reduce drásticamente su resistencia eléctrica . Luego, una corriente eléctrica fluye hasta que se rompe el camino del gas ionizado o la corriente se reduce por debajo de un valor mínimo llamado "corriente de mantenimiento". Esto suele ocurrir cuando cae el voltaje , pero en algunos casos ocurre cuando el gas calentado sube, estirándose y luego rompiendo el filamento de gas ionizado. Por lo general, la acción de ionizar el gas es violenta y perturbadora, y a menudo produce sonido (que va desde el chasquido de una bujía hasta el trueno de la descarga de un rayo ), luz y calor .
Las descargas de chispas se utilizaron históricamente en los primeros equipos eléctricos, como transmisores de radio de descarga de chispas , máquinas electrostáticas y máquinas de rayos X. Su uso más extendido hoy en día es en bujías para encender el combustible en motores de combustión interna , pero también se utilizan en pararrayos y otros dispositivos para proteger equipos eléctricos de transitorios de alto voltaje.
Para el aire, la resistencia a la ruptura es de aproximadamente 30 kV/cm al nivel del mar. [1]
La luz emitida por una chispa no proviene de la corriente de electrones en sí, sino del medio material que fluorescente en respuesta a las colisiones de los electrones. Cuando los electrones chocan con moléculas de aire en el espacio, excitan sus electrones orbitales a niveles de energía más altos . Cuando estos electrones excitados vuelven a sus niveles de energía originales, emiten energía en forma de luz. Es imposible que se forme una chispa visible en el vacío . Sin que intervenga materia capaz de realizar transiciones electromagnéticas , la chispa será invisible (ver arco de vacío ).
Las descargas de chispas son esenciales para el funcionamiento de varios dispositivos electrónicos.
Una bujía utiliza un explosor para iniciar la combustión . El calor del rastro de ionización, pero lo que es más importante, la radiación ultravioleta y los electrones libres calientes (ambos causan la formación de radicales libres reactivos) [ cita necesaria ] encienden una mezcla de combustible y aire dentro de un motor de combustión interna , o un quemador en un horno. horno o estufa. Cuanta más radiación UV se produzca y se difunda con éxito en la cámara de combustión, más avanza el proceso de combustión. [ cita necesaria ]
La mezcla propulsora de hidrógeno y oxígeno del motor principal del transbordador espacial se encendió con un encendedor de chispa. [2]
Los explosores se utilizan con frecuencia para evitar que las sobretensiones dañen el equipo. Los explosores se utilizan en interruptores de alto voltaje , grandes transformadores de potencia , en centrales eléctricas y subestaciones eléctricas . Dichos interruptores están construidos con una hoja de conmutación grande operada a distancia con una bisagra como un contacto y dos resortes de lámina que sujetan el otro extremo como segundo contacto. Si se abre la cuchilla, una chispa puede mantener conductora la conexión entre la cuchilla y el resorte. La chispa ioniza el aire, que se vuelve conductor y permite que se forme un arco que sostiene la ionización y, por tanto, la conducción. Una escalera de Jacob encima del interruptor hará que el arco se eleve y finalmente se extinga. También se pueden encontrar pequeñas escaleras de Jacob montadas sobre aisladores cerámicos de torres de alta tensión. A veces se les llama brechas corneales. Si alguna vez una chispa logra saltar por encima del aislante y generar un arco, se extinguirá.
A menudo se utilizan distancias de chispas más pequeñas para proteger equipos eléctricos o electrónicos sensibles contra sobretensiones de alto voltaje . En versiones sofisticadas de estos dispositivos (llamados pararrayos de tubo de gas), [3] una pequeña descarga de chispas se rompe durante una sobretensión anormal de voltaje, desviando de manera segura la sobretensión a tierra y protegiendo así el equipo. Estos dispositivos se utilizan comúnmente para líneas telefónicas cuando ingresan a un edificio; Los explosores ayudan a proteger el edificio y los circuitos telefónicos internos de los efectos de los rayos . Los explosores menos sofisticados (y mucho menos costosos) se fabrican utilizando condensadores cerámicos modificados ; En estos dispositivos, el explosor es simplemente un espacio de aire cortado entre los dos cables que conectan el condensador al circuito. Un aumento de voltaje provoca una chispa que salta de un cable a otro a través del espacio dejado por el proceso de aserrado. Estos dispositivos de bajo costo se utilizan a menudo para evitar arcos dañinos entre los elementos del cañón de electrones dentro de un tubo de rayos catódicos (CRT). [ cita necesaria ]
Las pequeñas descargas de chispas son muy comunes en las centralitas telefónicas , ya que los largos cables telefónicos son muy susceptibles a las sobretensiones inducidas por la caída de rayos . Se utilizan distancias de chispas más grandes para proteger las líneas eléctricas .
Las vías de chispas a veces se implementan en placas de circuito impreso en productos electrónicos utilizando dos pistas de PCB expuestas muy espaciadas. Este es un método efectivamente de costo cero para agregar protección cruda contra sobretensión a productos electrónicos. [4]
Transils y trisils son las alternativas de estado sólido a las chispas para aplicaciones de menor potencia. Para este fin también se utilizan bombillas de neón .
Se utiliza una descarga de chispas activada en un flash de entrehierro para producir destellos de luz fotográficos en el dominio de submicrosegundos.
Una chispa irradia energía por todo el espectro electromagnético . Hoy en día, esto se suele considerar una interferencia de radiofrecuencia ilegal y se suprime, pero en los primeros tiempos de las comunicaciones por radio (1880-1920), este era el medio por el que se transmitían las señales de radio, en el transmisor de chispas no modulado . Muchos explosores de radio incluyen dispositivos de enfriamiento, como el espacio giratorio y los disipadores de calor , ya que el explosor se calienta bastante con el uso continuo a alta potencia.
Un explosor esférico calibrado se descompondrá a un voltaje altamente repetible, cuando se corrija según la presión del aire, la humedad y la temperatura. Un espacio entre dos esferas puede proporcionar una medición de voltaje sin ningún componente electrónico ni divisores de voltaje, con una precisión de aproximadamente el 3%. Se puede usar una vía de chispas para medir CA, CC o pulsos de alto voltaje, pero para pulsos muy cortos, se puede colocar una fuente de luz ultravioleta o una fuente radiactiva en uno de los terminales para proporcionar una fuente de electrones. [5]
Los explosores se pueden utilizar como interruptores eléctricos porque tienen dos estados con resistencia eléctrica significativamente diferente. La resistencia entre los electrodos puede ser tan alta como 10-12 ohmios cuando los electrodos están separados por gas o vacío, lo que significa que fluye poca corriente incluso cuando existe un alto voltaje entre los electrodos. La resistencia cae hasta 10 -3 ohmios cuando los electrodos están conectados por plasma, lo que significa que la disipación de energía es baja incluso con corriente alta. Esta combinación de propiedades ha llevado al uso de explosores como interruptores eléctricos en aplicaciones de energía pulsada donde la energía se almacena a alto voltaje en un capacitor y luego se descarga a alta corriente. Los ejemplos incluyen láseres pulsados , cañones de riel , generadores Marx , fusión , investigación de campos magnéticos pulsados ultrafuertes y activación de bombas nucleares .
Cuando un explosor consta de sólo dos electrodos separados por gas, la transición entre los estados conductor y no conductor se rige por la ley de Paschen . En combinaciones típicas de presión y distancia de electrodos, la ley de Paschen dice que la descarga de Townsend llenará el espacio entre los electrodos con plasma conductor siempre que la relación entre la intensidad del campo eléctrico y la presión exceda un valor constante determinado por la composición del gas. La velocidad con la que se puede reducir la presión está limitada por el flujo estrangulado , mientras que el aumento del campo eléctrico en un circuito de descarga de condensador está limitado por la capacitancia en el circuito y la corriente disponible para cargar la capacitancia . Estas limitaciones en la velocidad con la que se puede iniciar la descarga significan que los explosores con dos electrodos suelen tener una gran fluctuación .[6]
Los explosores disparados son una clase de dispositivos con algunos medios adicionales de disparo para lograr una baja fluctuación. Lo más común es que se trate de un tercer electrodo, como en un trigatrón . El voltaje del electrodo disparador se puede cambiar rápidamente porque la capacitancia entre este y los otros electrodos es pequeña. En un explosor activado, la presión del gas se optimiza para minimizar la inquietud y al mismo tiempo evitar disparos involuntarios. Los explosores disparados se fabrican en versiones permanentemente selladas con rango de voltaje limitado y en versiones presurizadas por el usuario con un rango de voltaje proporcional al rango de presión disponible. Los explosores disparados comparten muchas similitudes con otros tubos llenos de gas como los tiratrones , krytrones , ignitrones y crossatrones .
Las brechas de vacío activadas, o sprytrons , se parecen a las descargas de chispas activadas tanto en apariencia como en construcción, pero se basan en un principio operativo diferente. Una brecha de vacío activada consta de tres electrodos en una envoltura hermética de vidrio o cerámica que ha sido evacuada. Esto significa que, a diferencia de una vía de chispas activada, una vía de vacío activada opera en el espacio de parámetros a la izquierda del mínimo de Paschen, donde la ruptura se promueve al aumentar la presión. La corriente entre los electrodos está limitada a un valor pequeño por la emisión de campo en el estado no conductor. La descomposición se inicia mediante la rápida evaporación del material de un electrodo disparador o de un revestimiento resistivo adyacente. Una vez que se inicia el arco de vacío , un espacio de vacío activado se llena con plasma conductor como en cualquier otro espacio de chispa. Una brecha de vacío activada tiene un rango de voltaje de operación mayor que una vía de chispas activada sellada porque las curvas de Paschen son mucho más pronunciadas a la izquierda del mínimo de Paschen que a presiones más altas. Las brechas de vacío activadas también son duras porque en el estado no conductor no contienen ningún gas que pueda ser ionizado por radiación .[7]
También se utilizan como eliminadores de insectos. Los dos electrodos se implementan como celosías metálicas colocadas un poco demasiado separadas para que salte el voltaje. Cuando un insecto se aventura entre los electrodos, el cuerpo del insecto reduce la distancia del espacio, ya que es conductor, y se produce una descarga de chispa que electrocuta y quema al insecto.
En este uso, el mecanismo de descargador se utiliza a menudo junto con un cebo, tal como una luz, para atraer al insecto hacia el descargador.
Vídeos de la escalera de Jacob: