Capítulo 1 - Instituto de Física del Plasma

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