En electromagnetismo , una descarga serpentina , también conocida como descarga filamentosa , es un tipo de descarga eléctrica transitoria que se forma en la superficie de un electrodo conductor que transporta un alto voltaje en un medio aislante como el aire. Las serpentinas son chispas luminosas que se retuercen y se ramifican, canales de plasma compuestos de moléculas de aire ionizadas , que salen repetidamente del electrodo al aire.
Al igual que las descargas de corona y las descargas de cepillo relacionadas , una descarga de serpentina representa una región alrededor de un conductor de alto voltaje donde el aire ha sufrido una falla eléctrica y se vuelve conductor ( ionizado ), por lo que la carga eléctrica se escapa del electrodo al aire. Ocurre cuando el campo eléctrico en la superficie de un conductor supera 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 eliminar otros electrones, ionizándolos, y los electrones liberados golpean 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 en forma de dedo llamada serpentina .
Las serpentinas son transitorias (existen solo por un corto tiempo) y filamentosas, lo que las diferencia de las descargas de corona . Se utilizan en aplicaciones como la producción de ozono, la purificación del aire o la medicina del plasma. [ cita necesaria ] 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 mediante el cual los líderes del rayo crean un camino para los rayos. Las serpentinas también se pueden observar como duendes en la atmósfera superior. Debido a la baja presión, los duendes son mucho más grandes que las serpentinas a presión del suelo; consulte las leyes de similitud a continuación.
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La teoría de las descargas de serpentinas fue precedida por la teoría de las descargas de John Sealy Townsend [1] de alrededor de 1900. Sin embargo, quedó claro que esta teoría a veces era inconsistente con las observaciones. Esto fue especialmente cierto para las descargas que fueron 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.
Las serpentinas 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 está fuertemente en desequilibrio: 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 se pueden utilizar "balas de plasma", o serpentinas guiadas, [6] para el tratamiento de heridas, [7] aunque esto todavía es experimental.
Pueden surgir serpentinas cuando se aplica un campo eléctrico fuerte a un material aislante, generalmente un gas. Las serpentinas sólo 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 del gas, expulsando un electrón del átomo. En el campo de ruptura, existe un equilibrio entre la producción de nuevos electrones (debido a la ionización por impacto) y la pérdida de electrones (debido a la unión). 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 tras de sí iones positivos, por lo que con el tiempo se va acumulando cada vez más carga espacial . (Por supuesto, los iones se alejan con el tiempo, pero se trata de un proceso relativamente lento en comparación con la generación de avalanchas, ya que los iones son mucho más pesados que los electrones). Con el tiempo, el campo eléctrico de toda la carga espacial se vuelve comparable al campo eléctrico de fondo. Esto a veces se denomina "transición de avalancha a serpentina". En algunas regiones el campo eléctrico total será menor que antes, pero en otras regiones aumentará, lo que se denomina mejora del campo eléctrico. Las nuevas avalanchas crecen predominantemente en las regiones de campos altos, por lo que puede surgir una estructura autopropagante: 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 mediante diferentes mecanismos físicos.
Las serpentinas negativas se propagan en contra de la dirección del campo eléctrico, es decir, en la misma dirección que la velocidad de deriva de los electrones . Las serpentinas positivas se propagan en dirección opuesta. En ambos casos, el canal streamer es eléctricamente neutro y está protegido por una fina capa de carga espacial. Esto conduce a un campo eléctrico mejorado al final del canal, la "cabeza" de la serpentina. Tanto las corrientes positivas como las negativas crecen por ionización de impacto en esta región de alto campo, pero la fuente de electrones es muy diferente.
Para los streamers negativos, los electrones libres se aceleran desde el canal hasta la región de la cabeza. Sin embargo, para los streamers positivos, estos electrones libres tienen que venir desde más lejos, ya que aceleran hacia el canal del streamer. Por tanto, los streamers negativos crecen de forma más difusa que los streamers positivos. Debido a que una señal difusa tiene menos mejora de campo, las señales negativas requieren campos eléctricos más altos que las positivas. Por lo tanto, en la naturaleza y en las aplicaciones, los streamers positivos son mucho más comunes.
Como se señaló anteriormente, una diferencia importante es también que las serpentinas 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 y 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 dominante de producción de fotones es el proceso de Bremsstrahlung . [10]
La serpentina eléctrica, en sentido estricto, es un frente de ionización en forma de filamento en crecimiento. Se puede identificar, al menos aproximadamente, un conjunto de parámetros que caracterizan 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 las serpentinas eléctricas en el aire, [11] la serpentina "elige" la velocidad máxima disponible (con otros parámetros 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 con los datos experimentales sobre velocidades positivas de la cinta y sobre el umbral negativo de la cinta, [12] así como con los resultados de una simulación resolviendo directamente ecuaciones hidrodinámicas. [11]
La mayoría de los procesos en una descarga serpentina 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 se escalan como , ya que están relacionadas con el camino libre medio.
Esto también motiva la unidad de Townsend , que es una unidad física del ratio.
Se ha observado que las descargas en experimentos de laboratorio emiten rayos X [13] y que las descargas de rayos emiten rayos X y los destellos de rayos gamma terrestres , ráfagas de fotones con energías de hasta 40 MeV. [14] Estos fotones son producidos por electrones desbocados , electrones que han superado la fuerza de fricción , mediante el 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 las serpentinas. [16] Sin embargo, no está claro si este proceso realmente puede explicar una tasa de producción suficientemente alta. [17] Recientemente, se ha propuesto que el aire ambiente se perturba en las proximidades de las descargas de serpentinas 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 las descargas eléctricas son capaces de perturbar el aire en sus alrededores hasta en un 80%. [20] [21] Esto, sin embargo, tiene consecuencias inmediatas en el movimiento y las propiedades de las descargas secundarias en 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 incluso capaces de facilitar la producción de rayos X (con energías de varias decenas de keV) a partir de tales descargas de corrientes, que son producidas por electrones desbocados a través del proceso de Bremsstrahlung . [23]
