Capítulo 1: Introducción 1.1. La Física de descargas gaseosas. El ...
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<strong>Capítulo</strong> 1: <strong>Introducción</strong><br />
<strong>1.1.</strong> <strong>La</strong> <strong>Física</strong> <strong>de</strong> <strong>de</strong>scargas <strong>gaseosas</strong>.<br />
<strong>El</strong> término "<strong>de</strong>scarga gaseosa" se originó en la <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> un capacitor en un<br />
circuito en el cual existe una separación entre dos electrodos inmersos en un medio<br />
gaseoso. Si el voltage es lo suficientemente alto, se produce la ruptura dieléctrica <strong>de</strong>l<br />
gas, formándose un estado ionizado. Así, el circuito está cerrado y el capacitor se<br />
"<strong>de</strong>scarga". Posteriormente, el término "<strong>de</strong>scarga" fue aplicado a cualquier flujo <strong>de</strong><br />
corriente eléctrica en un gas ionizado, y a cualquier proeso <strong>de</strong> ionización <strong>de</strong>l gas por<br />
el campo eléctrico aplicado.<br />
Por lo general, el flujo <strong>de</strong> corriente eléctrica en un circuito se asocia con la<br />
noción <strong>de</strong> un circuito compuesto por conductores. Sin embargo, no se necesita un<br />
circuito cerrado para tener un movimiento dirigido <strong>de</strong> cargas (es <strong>de</strong>cir, una corriente)<br />
si existen campos eléctricos oscilantes (r-f, µ-λ, etc.). Es más, varios <strong>de</strong> los efectos<br />
observados en gases sujetos a campos eléctricos oscilantes (ruptura, mantenimiento<br />
<strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> ionización, disipación <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l campo) son bastante similares a los<br />
fenómenos d-c. Actualmente, todos estos procesos son consi<strong>de</strong>rados <strong>de</strong>scargas, e<br />
incluídos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la <strong>Física</strong> <strong>de</strong> <strong>de</strong>scargas <strong>gaseosas</strong>. En estos casos la disipación <strong>de</strong><br />
energía <strong>de</strong>l campo es <strong>de</strong>scripta en términos <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> radiación, en lugar <strong>de</strong><br />
disipación Joule <strong>de</strong> la corriente eléctrica.<br />
En <strong>de</strong>finitiva, el campo actual <strong>de</strong> la <strong>Física</strong> <strong>de</strong> <strong>de</strong>scargas <strong>gaseosas</strong> incluye los<br />
procesos relacionados con corrientes eléctricas en gases y con la generación y<br />
mantenimiento <strong>de</strong> la capacidad <strong>de</strong> un gas para conducir electricidad y absorber<br />
radiación electromagnética.<br />
1.2 Descargas típicas en un campo constante.<br />
Considérese el experimento <strong>de</strong> la Fig. 1.1, en el cual dos electrodos metálicos<br />
(el que está a potencial negativo se llama cátodo y el positivo ánodo) conectados a<br />
una fuente d-c se insertan en un tubo <strong>de</strong> vidrio, el cual pue<strong>de</strong> ser evacuado y llenado<br />
con gases a distintas presiones (p).<br />
Figura 1.1<br />
C<br />
A
Si se aplica un voltaje bajo (~<strong>de</strong>cenas <strong>de</strong> V), no se observa ningún efecto<br />
visible, aunque un instrumento muy sensible podría <strong>de</strong>tectar una corriente muy baja, ~<br />
10-15 A. Esta corriente es <strong>de</strong>bida a las cargas libres generadas por rayos cósmicos y<br />
radioactividad natural. Si se usa intencionalmente una fuente radioactiva o <strong>de</strong> rayos X,<br />
se pue<strong>de</strong> obtener una corriente <strong>de</strong> ~ 10-6 A. En este caso, el grado <strong>de</strong> ionización<br />
obtenido no es suficiente para producir luz. Una <strong>de</strong>scarga que sobrevive sólo por la<br />
presencia <strong>de</strong> un agente externo se llama no-autosostenida.<br />
Si se eleva el voltaje, la corriente se incrementa al principio, porque la<br />
mayoría <strong>de</strong> las cargas producidas por ionización son llevadas a los electrodos sin que<br />
ocurra recombinación. Sin embargo, si el campo eléctrico es capaz <strong>de</strong> remover todas<br />
las cargas <strong>de</strong>l volumen gaseoso, la corriente cesa <strong>de</strong> crecer, y se alcanza una<br />
saturación (limitada por la tasa <strong>de</strong> ionización).<br />
Subiendo más el voltaje (V), la corriente se incrementa bruscamente para un<br />
cierto valor <strong>de</strong> V, y se observa también emisión <strong>de</strong> luz. Estas son manifestaciones <strong>de</strong><br />
la ruptura dieléctrica <strong>de</strong>l gas ("breakdown"). Si p ~ 1 torr y la separación L <strong>de</strong> los<br />
electrodos es ~ 1 cm, el voltaje <strong>de</strong> breakdown (Vb ) es ~ algunos centenares <strong>de</strong> V. Este<br />
proceso se inicia con un pequeño número <strong>de</strong> electrones espurios, o inyectados<br />
intencionalmente para estimular el proceso: la <strong>de</strong>scarga se hace inmediatamente<br />
autosostenida. Qué quiere <strong>de</strong>cir esto?: la energía ganada por los electrones es<br />
suficiente para ionizar, y entonces se produce una avalancha electrónica. <strong>El</strong> gas es<br />
apreciablemente ionizado en 10-7 - 10-3 s, y la corriente crece por varios ór<strong>de</strong>nes <strong>de</strong><br />
magnitud.<br />
Existen varias condiciones que gobiernan cómo sigue el proceso a mayores<br />
voltajes. A bajas presiones (~ 1 - 10 torr) y resistencia elevada <strong>de</strong>l circuito externo, se<br />
<strong>de</strong>sarrolla una <strong>de</strong>scarga luminiscente (glow), caracterizada por una corriente<br />
relativamente baja (10-6 - 0.1 A) y voltajes altos entre los electrodos (102 - 103 V). Se<br />
forma una llamativa columna radiante en tubos largos (L ~ 10 cm, con radios R ~ 1<br />
cm), que se usa comúnmente para letreros luminosos. <strong>El</strong> grado <strong>de</strong> ionización (α,<br />
<strong>de</strong>finido como el cociente entre la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> partículas ionizadas y la <strong>de</strong>nsidad<br />
total) es bajo (α ~ 10-8 - 10-5 ), y los electrones están mucho más calientes que las<br />
partículas pesadas (Te ~ 1 ev, T ~ ambiente; 1 ev = 1.6 10-12 erg, y equivale a T =<br />
11600 oK). Este estado es mantenido por un lento y suave calentamiento Joule bajo<br />
condiciones <strong>de</strong> alto calor específico y elevada tasa <strong>de</strong> enfriamiento <strong>de</strong>l gas. <strong>El</strong> bajo α<br />
es el resultado <strong>de</strong> una elevada tasa <strong>de</strong> recombinación en el gas, y es mucho menor que<br />
el que correspon<strong>de</strong>ría si hubiera equilibrio termodinámico entre las especies a una Te ~ 1 ev.<br />
Si la presión en el circuito es elevada, y la resistencia <strong>de</strong>l circuito externo es<br />
baja, se <strong>de</strong>sarrolla un arco. Estos poseen corrientes (i) elevadas (i > 1 A) y voltajes<br />
bajos (<strong>de</strong>cena <strong>de</strong> V). <strong>El</strong> arco libera una consi<strong>de</strong>rable potencia térmica, que pue<strong>de</strong><br />
incluso <strong>de</strong>struir el tubo. Se forma usualmente un plasma en equilibrio termodinámico<br />
con Te ~ T ~ eV y con α ~ 10-3 - 1. <strong>La</strong> principal diferencia entre un glow y un arco<br />
está en el mecanismo <strong>de</strong> inyección <strong>de</strong> electrones <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el cátodo.<br />
Si p ~ 1 Atm. y L > 10 cm, y el voltage es lo suficientemente alto, ocurre<br />
"sparking"(chispas). Aquí la ruptura se <strong>de</strong>be a un rápido crecimiento <strong>de</strong> canales <strong>de</strong><br />
plasma ("streamers") <strong>de</strong> un electrodo al otro, y se trata <strong>de</strong> un fenómeno<br />
intrínsecamente no-estacionario. Los rayos, cuyos electrodos son las nubes y la tierra,<br />
son manifestaciones gigantes <strong>de</strong> una <strong>de</strong>scarga spark.
Finalmente, si existe un campo eléctrico inhomogéneo y que a<strong>de</strong>más no tiene<br />
el valor a<strong>de</strong>cuado para provocar breakdown en todo el espacio interelectródico,<br />
aparece una <strong>de</strong>scarga corona, caracterizada por una luminosidad en las vecinda<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
puntas o alambres con alta tensión.<br />
Es importante notar que los rangos <strong>de</strong> presión, longitud entre electrodos,<br />
corrientes y tensiones que se han mencionado para distinguir uno u otro tipo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>scarga es meramente indicativa, y se preten<strong>de</strong> solamente dar al lector que se inicia<br />
en el tema una i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> los parámetros más significativos que controlan la evolución <strong>de</strong><br />
una <strong>de</strong>scarga.