descargas eléctricas en gases
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Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ CAPITULO 3.DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES: CONCEPTO, CLASIFICACIÓN Y FÉNOMENOS ASOCIADOS “En tiempos y lugares totalmente inciertos, los átomos dejaron su camino celeste, y mediante abrazos fortuitos, engendraron todo lo existente” (James Clerk Maxwell) Este capítulo está dividido en tres apartados. En el primero de ellos, se aborda el concepto de descarga eléctrica en gases, desde un punto de vista amplio y global, valido para todos los tipos de descargas existentes. En el segundo, se ofrece una clasificación de los tipos de descargas eléctricas, detallando los procesos y fenómenos que se dan durante las mismas. Por ultimo, el tercer apartado se centra en las características y procesos fundamentales de las descargas eléctricas disruptivas en gases. 3.1. Concepto de descarga eléctrica en gases Una descarga eléctrica en un medio gaseoso, es un fenómeno en el que un gas, que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionización de sus átomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energética (de calor, de radiación o de un campo eléctrico, que provoca una diferencia de potencial entre los electrodos entre los que se sitúa el gas). La conducción eléctrica a través de este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue la ley de Ohm, sino que se rige por los procesos físicos elementales que se dan entre las partículas cargadas (electrones, iones, átomos y moléculas excitadas) transportadas en el plasma y producidas y absorbidas en los electrodos. De hecho, para poder realmente comprender las descargas eléctricas en gases, se deben analizar el comportamiento de dichas partículas y los procesos fundamentales que se producen en y entre dos zonas: (1) (1) 2) (2) (2) Figura 8.- Zonas fundamentales de las descargas eléctricas: plasma y región de electrodos Universidad de Sevilla 12 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ (1) Columna de plasma, formada por la ionización del medio gaseoso. (2) Región de los electrodos, región anódica (próxima al ánodo (+)) y región catódica (próxima al cátodo (-)), esta última, de gran importancia, ya que es donde surgen los electrones, que junto con los iones, son las partículas fundamentales en los procesos de descarga. 3.2. Clasificación de las descargas eléctricas en gases En el actual estado de la técnica, las descargas eléctricas en gases se clasifican genéricamente, atendiendo a dos criterios: Descargas Eléctricas en Gases Fuente de ionización Ruptura del gas No auto-mantenidas/ No espontáneas Parciales Auto-mantenidas/ Espontáneas Disruptivas Tabla 1.- Clasificación genérica de las descargas eléctricas en gases Atendiendo a la fuente de ionización del gas 1) Descargas eléctricas no espontáneas o no auto-mantenidas En este tipo de descargas, la conductividad eléctrica del gas se mantiene mediante fuentes exteriores de ionización (como son fuentes de alta temperatura o fuentes de radiación de diferentes tipos, principalmente de onda corta, como los rayos X o las radiación ultravioleta o la radiación gamma). Si se calienta un gas, parte de sus moléculas adquieren una energía lo bastante elevada, como para producir la ionización de otras moléculas del gas, al chocar éstas con las primeras. Este tipo de ionización, se conoce como termoionización (ver anexo I). Al mismo tiempo el efecto de una radiación, puede “arrancar” electrones de un átomo o de una molécula neutra, ionizando por tanto, los átomos y moléculas del gas, denominándose a este tipo de ionización fotoionización (ver anexo I). Cuando las fuentes externas presentan muy altas temperaturas o una radiación muy energética, se produce la ionización casi completa del gas, acompañándose la descarga de una corriente extremadamente fuerte. Este tipo de situaciones, se suele dar en el espacio interestelar y en las estrellas. Universidad de Sevilla 13 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ 2) Descargas eléctricas espontáneas o auto-mantenidas En este tipo de descargas, la conductividad eléctrica es mantenida por la propia descarga, sin ninguna participación de una fuente exterior de calor o radiación. En este tipo de descargas, también se dan procesos de termoionización y fotoionización, pero no tienen su origen en fuentes externas, sino en la radiación y calor generados en la misma descarga. En este grupo se encuentran la mayoría de las descargas eléctricas usadas en las actividades laborales (luminarias, soldadura, máquinas de electroerosión (Electrical Discharge Machines (EDM), en terminología anglosajona)). Atendiendo a la ruptura del gas 1) Descargas eléctricas parciales Las descargas parciales son descargas eléctricas de pequeña energía y duración transitoria, en las que el medio gaseoso no es atravesado por completo por la corriente, no produciéndose la ruptura del mismo. Figura 9.- Descarga eléctrica parcial (Fuente: Experimentos AT de Henning Umland (2008)) 2) Descargas eléctricas disruptivas Las descargas disruptivas son aquellas descargas eléctricas, en las que la corriente consigue atravesar por completo el gas que separa a los electrodos a diferente potencial. Universidad de Sevilla 14 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Figura 10.- Descarga eléctrica disruptiva (Fuente: Experimentos AT de Henning Umland (2008)) En las descargas disruptivas, el gas ionizado produce un camino que permite el paso de la corriente de un electrodo a otro. Atendiendo a la tensión y corriente producidas durante las descargas disruptivas, se pueden diferenciar cinco fases, mostradas esquemáticamente en la siguiente figura (figura 11): Figura 11.- Fases de las descargas eléctricas disruptivas en gases Universidad de Sevilla 15 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Otra importante forma de clasificar las descargas eléctricas en medios gaseosos, es analizando su respuesta tensión - corriente (en adelante, v-i) característica: Respuesta v-i (1) Presión Atmosférica Baja Presión Descarga Townsend Descargas Eléctricas en Gases Descarga Townsend Descarga Corona Descarga Luminiscente Descarga de chispa (Zona normal y zona anormal) Descarga de arco / Arco Eléctrico Descarga de arco / Arco Eléctrico Tabla 2.- Clasificación de las descargas eléctricas en gases en base a su respuesta tensión-corriente (1) Nota : Se suele hablar de respuesta v-i a presión atmosférica o a baja presión, pero en verdad, los diferentes regimenes y tipos de descarga, no dependen sólo de la presión, sino que dependen del producto p·d, es decir, de la presión del gas (p) y de la separación entre electrodos (d). En la siguiente figura, se representa de forma esquemática, la respuesta v-i característica de los distintos tipos de descarga eléctrica en gases: Figura 12.- Curva tensión-corriente de diferentes tipos de descargas eléctricas en gases Descarga Townsend Como se aprecia en la figura 12, para tensiones pequeñas, la corriente de la descarga crece con la tensión (zona A - B). Esto ocurre, hasta que la tensión adquiere un valor de saturación, debido a que el tiempo de transito de las cargas es menor que el tiempo de creación de dichas cargas. Universidad de Sevilla 16 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Para tensiones superiores a la de saturación (zona C - D), la descarga se desarrolla por mecanismos de multiplicación por avalancha, con emisión de electrones por parte del cátodo, denominada “zona de descarga Townsend” (zona C - D), que es una región de descarga oscura (no provoca ninguna emisión de radiación lumínica) y se dan corrientes muy débiles (10-8 A). En el punto D, se pueden dar dos situaciones: - Bajas presiones (p·d ↓↓) - Presiones atmosféricas (p·d ↑↑) Régimen de descargas a bajas presiones En condiciones de baja presión, en el punto D, comienza una zona denominada descarga luminiscente (glow discharge, en terminología anglosajona), que son descargas ampliamente utilizadas en los procesos industriales actuales, que operan a bajas corrientes (~10-2A) y baja presión (~mbar). El plasma de las descargas luminiscentes está débilmente ionizado y en un estado de no equilibrio y es visible como una columna brillante. Como en la descarga Townsend, los electrones se emiten por impactos de electrones con el cátodo frío. En la transición D - F, se genera una distribución de campo eléctrico elevado en el cátodo, que origina la multiplicación electrónica necesaria para mantenerse, ya que el cátodo se conserva frío y no es capaz de generar suficiente corriente eléctrica. Se genera una columna positiva, que es un plasma de no equilibrio térmico, pero casi neutro eléctricamente. En la zona F - G, la tensión de la descarga es constante. La intensidad varía gracias a que el área transversal en la cual se manifiesta la descarga va creciendo. A la zona D - G, se le conoce como régimen de descarga luminiscente normal. Sin embargo, en el punto G, comienza una zona denominada descarga luminiscente anormal (zona G - H’), en el que la descarga luminiscente ha agotado su capacidad de crecer en intensidad aumentando el área y comienza a requerir más tensión para la multiplicación de electrones, invadiendo toda la zona del cátodo que le es accesible. En el punto H’, la corriente es tan intensa que es capaz de calentar el cátodo hasta la incandescencia, produciendo intensa emisión termoiónica y dando lugar a un arco (región tras el punto I), pasando por una transición inestable, denominada transición luminiscencia-arco (región H’ - I). La caída catódica para el arco, es más pequeña que para la descarga luminiscente de la región D - F. Universidad de Sevilla 17 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Régimen de descargas a presiones atmosféricas En el punto D se inicia una descarga denominada corona. La corona es una descarga de baja corriente (10-6 A) a presión atmosférica. Se desarrollan localmente (por ejemplo, en el extremo de cables) en campos eléctricos no uniformes. En el punto H, se produce la descarga de chispa (spark discharge, en terminología anglosajona), que es un régimen transitorio, en el que se crea un canal ionizado que une ambos electrodos, cuya creación es resultado de varias fases, que incluye el mecanismo streamer (ver apartado 3.3.1). En este régimen, la corriente es tan intensa que es capaz de calentar el cátodo hasta la incandescencia, produciendo intensa emisión termoiónica y dando lugar a un arco (región de I en adelante). El arco de la región I - J se denomina arco no térmico, porque el plasma que genera es de no equilibrio termodinámico (temperatura de electrones, iones y neutros son diferentes). Los arcos más allá del punto J, se denominan arcos térmicos, que constituye un plasma cercano al equilibrio termodinámico. Los arcos eléctricos son descargas de alta corriente (> 100 A) y muy brillantes. Se diferencian de las descargas luminiscentes en los mecanismos de emisión de electrones. En los arcos, los electrones se emiten por procesos termoiónicos, debido al calentamiento del cátodo. El plasma generado se encuentra en equilibrio termodinámico. Tensión de ignición y tensión de ruptura de gases En los párrafos anteriores, para los diferentes tipos de descarga eléctrica no se han detallado las tensión del punto D, denominada tensión de ignición (inception, en terminología anglosajona) ni en los puntos H y H’, denominadas tensiones de ruptura (breakdown, en terminología anglosajona), ya que dichos valores, dependen de muchos factores (tipo de gas, presión, material de los electrodos y distancia entre ellos, etc…). En las siguientes figuras, se pueden observar sus valores para diferentes tipos de gases: Universidad de Sevilla 18 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Figura 13.- Tensión de ignición y de ruptura para diferentes gases Universidad de Sevilla 19 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ 3.3. Descarga eléctrica disruptiva en gases: Chispa y arco eléctrico Como se ha visto en el apartado anterior, los diferentes regimenes en los que se puede encontrar una descarga eléctrica, es decir, descarga Townsend, descarga luminiscente, descarga corona o arco eléctrico, son estados estables o cuasi-estables. Por el contrario, las descargas de chispa (en adelante, se denominarán simplemente chispas), es un régimen de descarga inestable, es decir, es un régimen de transición hacia un periodo más estable, como es el régimen de arco eléctrico. Si una fuente externa fuese capaz de suministrar la suficiente corriente eléctrica durante el régimen de chispa, ésta de forma natural, se transformará en un arco eléctrico. En este apartado se analizan en detalle las descargas eléctricas disruptivas chispa y arco eléctrico. Dentro de las descargas de chispa, se hará especial hincapié en el fenómeno streamer, como principal motor de la creación y desarrollo de los plasmas presentes en las descargas disruptivas. 3.3.1. Descargas disruptivas de chispa Los fenómenos de ruptura eléctrica que llevan a la creación de los plasmas de las chispas son fenómenos complejos. Como se detalla en el anexo I, la ruptura es demasiado rápida para ser explicada satisfactoriamente por repetitivas avalanchas de electrones, a través de emisiones secundarias del cátodo, como en las descargas a baja presión. Por el contrario, las rupturas se deben al rápido crecimiento de un canal débilmente ionizado llamado streamer, de un electrodo al siguiente. Un streamer se forma por una intensa avalancha primaria de electrones, que comienza en el cátodo. Dicha avalancha, genera un campo eléctrico debido a la distribución espacial de carga interna. Dicha distribución se incrementa con la propagación y el desarrollo de la avalancha. Universidad de Sevilla 20 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Figura 14.- Mecanismo streamer La avalancha debe alcanzar determinado nivel antes de crear el streamer. Tan pronto como el campo creado por la distribución espacial de carga de la avalancha es comparable o excede el campo eléctrico aplicado, se inicia el streamer. Una vez que se ha iniciado el streamer, éste crece y se propaga, siguiendo un camino zigzagueante, debido a la naturaleza aleatoria que rige su propagación. La velocidad de propagación es extremadamente alta (~106 m/s). Dependiendo de la separación entre electrodos y la tensión aplicada (campo externo aplicado), la dirección de propagación del streamer varia, distinguiéndose dos tipos: Streamer positivo o dirigido al cátodo Streamer negativo o dirigido al ánodo Separación entre electrodos moderada y Tensiones moderadas Separación entre electrodos grande y/o Tensiones altas Tabla 3.- Clasificación de las mecanismos de streamer Universidad de Sevilla 21 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Streamer positivo La transición de la avalancha al streamer ocurre sólo cuando la avalancha primaria, ha cruzado la distancia de separación entre los electrodos y alcanza el ánodo. La avalancha no ha crecido lo suficiente y el campo generado por la distribución espacial de carga no es lo suficientemente fuerte para crear una región ionizada, antes de alcanzar el ánodo. Entonces el streamer comienza en el ánodo y crece hacia el cátodo, de ahí que se le denomine streamer positivo o dirigido hacia el cátodo. El crecimiento del streamer es debido a las avalanchas secundarias, creadas cerca de la cabecera positiva del streamer (ver Tabla 3). Las avalanchas secundarias se crean por la liberación de electrones por fotoionización. Los electrones de las avalanchas secundarias son rápidamente atraídos por la cabecera del streamer, neutralizando la carga positiva de dicha cabecera y dejando detrás los más lentos iones positivos, de las avalanchas secundarias. Estas cargas positivas se convierten en las nuevas cabeceras de las extensiones del streamer. Streamer negativo El campo creado por la distribución espacial de carga de la avalancha primaria, es lo suficientemente alto para crear el streamer, antes incluso, de llegar al ánodo. La transición entre la avalancha y el streamer se produce en el espacio de separación entre electrodos. Si esta transición avalancha-streamer ocurre cerca del cátodo, se denomina negativa o dirigida al ánodo. El mecanismo de crecimiento de los streamer negativo es idéntico a los del streamer positivo, con la pequeña diferencia, de que en este caso, los electrones de la primera avalancha forman la cabecera negativa del streamer. Estos electrones rápidamente neutralizan a los iones positivos de la avalancha secundaria, también creados en la cabecera del streamer por fotoionización y por desplazamientos de electrones. Los electrones de las avalanchas secundarias forman las nuevas cabeceras de las extensiones del streamer. Transición entre streamer y chispa Cuando el streamer cubre la distancia entre electrodos, la fase de ruptura se completa y empieza la fase de descarga. La transición entre un canal débilmente ionizado, que recorre la separación entre electrodos hasta un canal fuertemente ionizado (chispa) se conoce poco. La explicación más lógica es que en el streamer, que es perfectamente conductor, su cabecera tiene el mismo potencial que el electrodo. En un streamer positivo, la cabecera tiene el mismo potencial que el ánodo. Cuando la cabecera está próxima al cátodo, toda la diferencia de potencial, se localiza en el pequeñísimo espacio entre dicha cabecera y el cátodo. El campo eléctrico en esa zona es tan intenso, que se emiten gran número de electrones desde el cátodo y desde los átomos Universidad de Sevilla 22 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ cercanos a éste. Una vez que el streamer llega al cátodo, estos electrones, en gran número e intensidad, son acelerados hacia el ánodo a través del canal del streamer, provocando una fuerte ionización. Esta fuerte ionización se propaga en sentido contrario, a una velocidad de aproximadamente 107 m/s, que incrementa enormemente el grado de ionización del canal streamer original. Características y fenómenos asociados a la chispa El plasma que forma el canal de chispa está altamente ionizado y es altamente conductor, capaz de mantener altas corrientes (~ 104 A) La chispa se acompaña de un sonido de ruptura, que resulta de las ondas de choque creadas por el rápido y localizado calentamiento del gas que rodea el canal de plasma. El canal se expande radialmente con el tiempo, debido a la ionización del gas circundante, por la conducción de calor y por las ondas de choque. Una chispa puede alcanzar una temperatura de alrededor de 1,8 eV (20.000 ºK) y una densidad de electrones de 1017 cm-3. 3.3.2. Descargas disruptivas de arco: Arco Eléctrico Si la corriente de la descarga se mantiene, se pasa de la chispa al arco eléctrico. Los fenómenos en el cátodo son extremadamente complejos, debido a los procesos eléctricos, térmicos y la interacción con el plasma generado y mantenido durante la descarga. Figura 15.- Regiones de una descarga eléctrica en gases Región del cátodo La descarga de arco se organiza de tal forma que crea una fuerte emisión de electrones desde el cátodo, por ejemplo, mediante aumento de la temperatura o creando un campo eléctrico en su superficie. Esta alta densidad de corriente es verdaderamente una de las características esenciales del arco eléctrico. En el cátodo se generan los electrones necesarios para la supervivencia del arco eléctrico. El cátodo debe ingeniárselas para desarrollar mecanismos de emisión suficientes, para extraer electrones del metal e introducirlos en el plasma. Universidad de Sevilla 23 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Electrones de la banda de conducción del metal, necesitan una energía suficiente para superar la banda energética del interfaz metal-plasma. La transformación de la chispa en arco, está acompañada de la creación de un punto luminoso y caliente (cathode spot, en terminología anglosajona) en la superficie del cátodo (en adelante, punto de cátodo). Este pequeño punto (~10 µm de diámetro) tiene unas propiedades físicas increíbles y es capaz de suministrar una gran cantidad de electrones. Los mecanismos de emisión de electrones (ver anexo I), a partir del punto de cátodo, se deben a procesos de emisión termoiónica y de efecto de campo, entre otros. Volviendo otra vez sobre la figura 15, cerca de los electrodos, se observa unos saltos de tensión, denominados regiones de ánodo y cátodo, existiendo unos campos eléctricos particularmente altos en dichas zonas. Si se mira en detalle la estructura de la región del cátodo, se pueden distinguir las siguientes capas: Figura 16.- Capas de la región de cátodo de una descarga eléctrica en gases En la columna de plasma, éste se supone en equilibrio termodinámico, mientras que el plasma cercano a la región del cátodo se caracteriza por desviaciones respecto del equilibrio. Primero, se encuentra la capa de relajación térmica, en la cual una desviación en la temperatura de los electrones con respecto al resto de partículas pesadas, produce una violación del equilibrio de ionización. En la siguiente capa, denominada de ionización, la tasa de producción de iones es muy alta, debido a las colisiones con electrones altamente acelerados desde el cátodo. El flujo de iones que deja esta capa hacia el cátodo, es más alto que el flujo que entra desde la capa de relajación térmica. Un plasma denso se crea en esta capa, donde la densidad de iones es más alta que la de electrones. Debido a lo anterior, el punto de cátodo se calienta enormemente por el bombardeo de iones, procedentes de la capa de Universidad de Sevilla 24 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ ionización, y dirigidos a la zona sin colisiones, denominada cubierta. Este calentamiento produce evaporación, fusión del metal y emisión termoiónica, entre otros muchos procesos. A cambio, los electrones que vienen del cátodo son cruciales para crear una alta tasa de ionización en la capa de ionización, produciendo los iones que calentarán el cátodo, y por tanto, estableciéndose un mecanismo de producción ion-electrón, que mantiene el arco de forma consistente. En la región del cátodo, la energía se mantiene principalmente por el bombardeo de iones, pero pequeñas contribuciones se deben al calentamiento por efecto Joule, bombardeo de electrones y átomos, recombinaciones en el cátodo y efecto Thomson. La energía se disipa por la emisión de electrones, conducción térmica del electrodo, por evaporación, por la radiación de la superficie y emisión de metralla, que se produce por la evaporación y fusión de los metales que forman los electrodos. La importancia de cada uno de estas fuentes y sumideros de energía, dependen de las condiciones del arco: presión, materiales de los electrodos e intensidad de corriente. La temperatura del punto de cátodo está en torno a 4000 – 5000 ºK, muy superior a la temperatura de fusión de los metales (Cu ~ 1358 ºK; Fe ~ 1809 ºK), que explica la erosión de los cátodos durante los arcos. Región del ánodo En el ánodo, también se originan fenómenos físicos complejos. La corriente eléctrica se suele distribuir en una zona más amplia que la del cátodo, por lo que la densidad de corriente es inferior y no se producen erosiones tan significativas como en el cátodo. Los puntos de ánodo (anode spot, en terminología anglosajona) se pueden desarrollar bajo ciertas circunstancias de corriente, presión y geometría. La estructura del plasma cercano al ánodo, tiene similitudes con la del cátodo. Una región de carga negativa se sitúa cerca del cátodo, donde la densidad de electrones (ne) es superior a la densidad de iones (n+), debido a que los iones son incapaces de cruzar la barrera de potencial del ánodo. La energía del ánodo es aportada por el flujo de electrones y por la recombinación con los iones del ánodo. La energía se disipa a través de la evaporación y la conducción del calor. La temperatura del punto de ánodo alcanza valores cercanos a los 3000 ºK, inferior a la alcanzada en los puntos de cátodo. Universidad de Sevilla 25 Trabajo Fin de Master Capítulo 3 _____________________________________________________________________________________ Columna de Plasma Una gran cantidad de energía se disipa en la columna de arco debido al efecto Joule, conducción térmica y radiación. En el eje de la columna, la temperatura del plasma ronda los 5 eV (60.000 ºK) y la densidad de electrones es de aproximadamente 1016 cm-3, pero estos valores dependen del tipo de gas, de la corriente y presión. Las temperaturas del plasma y la densidad de electrones en el mismo, decrecen radialmente. El plasma de la columna del arco es menos denso que el plasma de la región del cátodo. Debido a las frecuentes colisiones y al intenso intercambio energético entre partículas en el plasma, los arcos de alta presión, se encuentran en equilibrio térmico local, con un nivel de ionización muy alto (cercano al 100%). Universidad de Sevilla 26
