La descarga eléctrica en gases ocurre cuando la corriente eléctrica fluye a través de un medio gaseoso debido a la ionización del gas. Dependiendo de varios factores, la descarga puede irradiar luz visible. Las propiedades de las descargas eléctricas en gases se estudian en relación con el diseño de fuentes de iluminación y el diseño de equipos eléctricos de alto voltaje.
Tipos de descarga
Efecto avalancha entre dos electrodos. El evento de ionización original libera un electrón, y cada colisión posterior libera un electrón adicional, por lo que de cada colisión emergen dos electrones: el electrón ionizante y el electrón liberado.Transición de descarga incandescente a descarga de arco en argón, aumentando la presión del gas .Características voltaje-corriente de una 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: avalancha Descarga de Townsend D: Descarga de Townsend autosostenida E: Región inestable: Descarga de corona F: Descarga de brillo subnormal G: Descarga de brillo normal H: Anormal descarga luminosa I: región inestable: transición de arco incandescente J: arco eléctrico K: arco eléctrico La región AD se denomina descarga oscura; hay algo de ionización, pero la corriente es inferior a 10 microamperios y no se produce una cantidad significativa de radiación. La región FH es una región de descarga luminosa; el plasma emite un tenue resplandor 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 bajos voltajes, 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, provocando una avalancha de electrones . En este régimen, la corriente aumenta de femtoamperios a microamperios, es decir, nueve órdenes de magnitud, con un aumento adicional muy pequeño del voltaje. Las características de voltaje-corriente comienzan a disminuir cerca del voltaje de ruptura y el brillo se vuelve visible.
II : descarga luminiscente , que se produce una vez alcanzado 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 incandescente . A corrientes más bajas, el área de los electrodos cubiertos por la descarga luminosa es proporcional a la corriente. A corrientes más altas, el brillo normal se convierte en un brillo anormal, el voltaje a través del tubo aumenta gradualmente y la descarga luminosa cubre cada vez más superficie de los electrodos. En esta región operan aplicaciones de conmutación de baja potencia (tiratrones de descarga luminosa), estabilización de voltaje y iluminación (por ejemplo, tubos Nixie , decatrones , lámparas de neón ).
La descarga luminosa se ve facilitada por los electrones que golpean los átomos del gas y los ionizan. Para la formación de una descarga luminosa, el camino libre medio de los electrones debe ser razonablemente largo pero más corto que la distancia entre los electrodos; Por lo tanto, las descargas luminosas no se producen fácilmente a presiones de gas demasiado bajas o demasiado altas.
La tensión de ruptura de la descarga luminosa depende de forma no lineal del producto de la presión del gas y la distancia del electrodo según la ley de Paschen . Para un determinado valor de presión × distancia, existe un voltaje de ruptura más bajo. El aumento del voltaje de ataque para distancias de electrodos más cortas está relacionado con un camino libre medio demasiado largo de los electrones en comparación con la distancia de los 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 krytrones ) o como adición a la aleación de los electrodos (por ejemplo, torio ), para preionizar el gas y aumentar la confiabilidad de la falla eléctrica y del encendido por descarga incandescente o de arco. También se puede utilizar un isótopo radiactivo gaseoso, por ejemplo criptón-85 . También se pueden emplear electrodos de encendido y electrodos de descarga de mantenimiento. [2]
La relación E/N entre el campo eléctrico E y la concentración de partículas neutras N se utiliza a menudo, porque la energía media de los electrones (y por lo tanto muchas otras propiedades de la descarga) es función de E/N. Aumentar la intensidad eléctrica E en algún factor q tiene las mismas consecuencias que reducir la densidad del gas N en un factor q.
El uso de una descarga luminosa para resolver ciertos problemas cartográficos se describió en 2002. [3] Según un artículo de Nature que describe el trabajo, [4] investigadores del Imperial College de Londres demostraron cómo construyeron un minimapa que proporciona a los turistas luces luminosas. Indicadores de ruta. Para fabricar el chip londinense de una pulgada, el equipo grabó un plano del centro de la ciudad en un portaobjetos de vidrio. Colocar una tapa plana encima convirtió las calles en tubos huecos conectados. Los llenaron con gas helio e insertaron electrodos en centros turísticos clave. Cuando se aplica 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. El enfoque en sí proporciona un novedoso enfoque 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 de microfluidos.
Referencias
^ Datos de referencia para ingenieros: radio, electrónica, computadoras y comunicaciones por Wendy Middleton, Mac E. Van Valkenburg, p. 16-42, Newnes, 2002 ISBN 0-7506-7291-9
^ Manual de optoelectrónica, volumen 1 de John Dakin, Robert GW Brown, p. 52, Prensa CRC, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
^ Reyes, DR; Ghanem, MM; Whitesides, gerente general; Manz, A. (2002). "Descarga luminosa en chips de microfluidos para informática analógica visible". Laboratorio en un chip . 2 (2): 113–6. doi :10.1039/B200589A. PMID 15100843.
^ "Descarga luminosa en chips de microfluidos para computación analógica visible". Naturaleza . 27 de mayo de 2002. doi :10.1038/news020520-12.
