DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES La ley de Ohm establece

DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES
La ley de Ohm establece que en un conductor metálico sometido a una diferencia de potencial
continua (V), la intensidad de corriente (I) es directamente proporcional a la tensión aplicada en los
extremos del conductor siendo la conductancia (C) (inversa de a resistencia (R)) la constante de
proporcionalidad. Es decir:
1
I =C⋅V = ⋅V
R
Figura 1. Tomada del simulador para la ley de Ohm, creado con GeoGebra por J.L.H. Neira.
1
Se observa que la característica I-V de la descarga es una línea recta I = ⋅V
R
Esto ocurre independientemente del valor que tenga la diferencia de potencial, mientras el
conductor no se deteriore por efectos del calor desarrollado por la resistencia del mismo, que viene
dado por la expresión:
Q= R⋅I 2⋅t
En los conductores gaseosos para valores pequeños de la diferencia de potencial (tensión) se cumple
también la ley de Ohm. La única diferencia es que, en el caso de los metales, la corriente eléctrica
se debe a los electrones libres (en realidad electrones compartidos entre todos los átomos debido al
enlace metálico) mientras que en el caso de los gases se debe a los iones tanto positivos como
negativos que existen en el mismo a causa de las radiaciones ionizantes naturales que atraviesan la
materia procedentes del Sol o de otras fuentes de radiación naturales.
Si se aumenta la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor gaseoso, en principio se
cumple la ley de Ohm, aumentando la intensidad de corriente proporcionalmente a la tensión, pero
la pendiente de la recta va disminuyendo hasta hacerse cero cuando ya no hay más iones que
puedan moverse bajo la acción del campo eléctrico responsable de la diferencia de potencial
establecida. Aparece en la curva una zona horizontal (pendiente cero) que es lo que en física se
llama un “plateau”. Naturalmente, lo que si ha producido ese aumento de la diferencia de potencial
es un incremento de la velocidad de los iones. Si se sigue aumentando la tensión, los iones se
mueven cada vez más deprisa aumentando su energía cinética, tanto que por colisiones con las
moléculas no ionizadas del gas son capaces de producir nuevos iones y electrones originándose una
reacción en cadena que hace que la intensidad aumente bruscamente produciéndose una descarga
visible.
Figura 2. Tomada de vídeos de Youtube. Autor: Manuel Hernández de Peñascal S. Coop.
Estas descargas son análogas a los rayos que se observan durante las tormentas, aunque las que
vemos aquí no son tan peligrosas debido en parte a la poca intensidad de corriente que circula, a
pesar de ser la tensión tan alta (unos 100 000 V), y en parte a la frecuencia de la corriente alterna
generada por la fuente (7 Mhz).
La característica I-V de la descarga ya no es una línea recta sino una curva como la de la figura 3.
Figura 3. Característica I-V para un conductor gaseoso
Al producirse la descarga comienza a percibirse un olor semejante al de la tierra recién mojada en
un día de lluvia que se intensifica con el tiempo. Es el ozono que se produce como consecuencia de
la descarga. El proceso es el siguiente:
3O 2 +Energía de la descarga ⇒ 2O3
siguiendo el mecanismo:
O2 + Energía de la reacción → 2O.
O 2 + O. → O 3
O 2 + O. → O 3
Es importante detenerse aquí para meditar sobre los efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo
humano.
La corriente continua actúa por calentamiento, aunque puede ocasionar un efecto electrolítico en el
organismo que puede generar riesgo de embolia o muerte por electrólisis de la sangre. Cuanto
mayor es la tensión y, por tanto la corriente, mayor es el calor producido; en cuanto a la corriente
alterna, la superposición de la frecuencia al ritmo nervioso y circulatorio produce una alteración que
se traduce en espasmos, sacudidas y ritmo desordenado del corazón (fibrilación ventricular).
Por lo que se refiere a la corriente alterna, las altas frecuencias son menos peligrosas que las bajas,
llegando a ser prácticamente inofensivas para valores superiores a 100000 Hz (produciendo sólo
efectos de calentamiento sin ninguna influencia nerviosa), mientras que para 10000 Hz la
peligrosidad es similar a la corriente continua. Por tanto, la corriente alterna que se usa en las
ciudades, con una frecuencia en Europa de 50 Hz, es muy peligrosa.
Descartando ya el absurdo de desear meter los dedos en un enchufe, cabe preguntarse si es posible
protegerse de algún modo contra las descargas en gases, en particular los rayos. La respuesta es que
si, y puede comprobarse en algunos vídeos que pueden verse en Internet que aviones o automóviles
que han sido alcanzados por una rayo, no han sufrido daño alguno en su estructura ni le ha ocurrido
nada a sus pasajeros. Esto es debido a que el fuselaje del avión o la carrocería metálica del vehículo
apantallan el interior del campo eléctrico externo de modo que la descarga no entra dentro del
habitáculo.
Avión alcanzado por un rayo
El mismo avión después del impacto del rayo
Figura 4. Tomada de un vídeo de Youtube (http://www.youtube.com/watch?v=ymEDOI85Nj8)
Este fenómeno se conoce con el nombre de apantallamiento de un campo eléctrico mediante una
pantalla de Faraday y se basa en que cuando un conductor se encuentra en el seno de un campo
eléctrico, los electrones libres se mueven en sentido contrario al campo dejando la carga positiva
almacenada en el otro extremo quedando así en interior fuera de la acción del campo porque el
campo exterior se neutraliza con el campo interior que se crea al separarse las cargas. Así la
descarga pasa sólo por la superficie del conductor sin entrar en su interior.
E polariza el conductor, es decir lleva los electrones a un lado
Figura 5. El campo eléctrico ⃗
y deja las cargas positivas en el otro. Así, cuando la descarga llega al conductor se va por la
superficie de un extremo al otro y sale por dicho extremo.
⃗ que actúa sobre una carga q situada en un campo eléctrico ⃗
E
Recuérdese que la fuerza F
viene dada por la expresión:
⃗ = q⋅E
⃗
F
por lo que las cargas negativas (electrones) sufren una fuerza que les empuja en sentido opuesto al
campo, mientras que con las cargas positivas ocurre lo contrario. En este caso no es que las cargas
positivas se muevan ya que corresponden a los núcleos de los átomos que se encuentran en los
vértices de las celdas de una red cristalina hexagonal compacta en posiciones fijas. Lo que ocurre es
que al desplazarse los electrones en un sentido, los átomos del otro extremo quedan con defecto de
carga negativa.
En la figura 6 se ve una persona dentro de una jaula de Faraday, constituida por una malla metálica.
La descarga eléctrica alcanza la caja pero no a la persona que está dentro.
Figura 6. El hombre se introduce en la jaula y después se descarga una corriente de alta
tensión sobre la jaula. La chispa eléctrica no entra en la jaula se va por los barrotes hacia el
suelo.
En esta experiencia de cátedra se va a simula el mismo efecto colocando un muelle alrededor del
electrodo en forma de hilo. Se observará que la descarga no le alcanza.
Figura 7. Imagen alterada manualmente para mostrar lo que se verá en la experiencia de
cátedra.
El descubrimiento del electrón
La historia del descubrimiento del electrón es útil desde el punto de vista didáctico, para visualizar
la propiedades de las descargas eléctricas, en particular aquellas en que las cargas son electrones.
Se toma un tubo de vidrio dotado de dos electrodos en los extremos y se hace el vacío en él.
Naturalmente es imposible hacer un vacío total, por lo que en realidad lo que hay en el interior de la
ampolla de vidrio es un gas enrarecido, es decir un gas a baja presión. Es necesario hacer el vacío
para que los electrones que va a emitir el cátodo no sean frenados y absorbidos por los iones del aire
que pudiera contener la ampolla.
A continuación, se aplica una diferencia de potencial de alto voltaje a los electrodos y se observa lo
que parece ser una luz verde.
Figura 8. Radiación que emerge del cátodo al conectar los electrodos a una fuente de alta
tensión y alta frecuencia.
Tiene todo el aspecto de ser luz verde. Sin embargo al acercarle un imán se comprueba que se
desvía.
Figura 9. Un imán (campo magnético) desvía la trayectoria de la radiación
Si se cambia la polaridad del imán, la radiación se desvía en sentido contrario.
Figura 10. Al cambiar la polaridad del imán se cambia la dirección en la que se desvía la
radiación.
Esos hechos permiten concluir que la radiación tiene carga y, precisamente, el sentido de la
desviación nos permite conocer su valor.
Cuando una carga eléctrica q que se mueve con velocidad ⃗v se mueve en un campo magnético
B sufre una fuerza, llamada Fuerza de Lorentz dada por la expresión:
de intensidad ⃗
⃗ =q⋅⃗
F
v ×⃗
B
donde el símbolo de multiplicar representa el producto vectorial.
Si la intensidad del campo magnético es constante en módulo, dirección y sentido, entonces la
trayectoria de la partícula es una circunferencia que, en su momento, a partir de la medida del radio
permitirá calcular la masa de la partícula. Lo que si se puede saber, de momento, es que la radiación
está compuesta de partículas cargadas y el signo de su carga ya que, para una intensidad de campo
magnético dada, la partícula se desviará en un sentido si tiene carga negativa y en el contrario si
tiene carga positiva. El resultado del análisis de este experimento es que las partículas que
constituyen la radiación tienen carga negativa.
Otro experimento pone claramente de manifiesto que las partículas que constituyen el haz catódico
tienen masa. Para comprobarlo, basta hacer chocar la radiación con un objeto que pueda absorber la
cantidad de movimiento o momento lineal ( ⃗p = m⋅⃗v ). Se observará entonces que dicho objeto,
si estaba en reposo, se pone en movimiento y si ya se estaba moviendo cambia su estado de
movimiento aumentándolo o disminuyéndolo según sea el sentido en que las partículas del haz
choca.
Un experimento muy ilustrativo es el de hacer chocar la radiación con un molinete de láminas de
mica colocado entre dos apoyos a través de un hilo muy fino. Como no es posible mostrar aquí la
imagen en movimiento, se ofrecen en la figura 11 tres fotogramas tomados del vídeo original en tres
posiciones distintas del molinete.
Figura 11. Tres fotogramas del molinete en res posiciones ligeramente diferentes captadas en
movimiento.
Así pues, queda probado con estos dos experimentos que las partículas que constituyen la radiación
catódica tienen carga y masa. Resta pues medir los valores de las mismas.
Dos famosos experimentos midieron la carga y la masa de estas partículas:
El experimento de Millikan permitió medir la carga del electrón. Puede verse en una versión clásica
en:
http://cienciasnaturalesyeduambiental.blogspot.com.es/2010/09/fisica-088-teoria-delexperimento.html
Por su parte, Thomson logró con otro experimento medir la carga específica, es decir, la relación
q
entre la carga y la masa (
). Así, de los valores de la carga q obtenida en el experimento de
m
q
Millikan y de la carga específica
medida con el experimento de Thomson, era fácil calcular la
m
masa del electrón. Una explicación del experimento de Thomson puede verse en:
http://www.youtube.com/watch?v=Y09J2VHmD5E
Espectros atómicos y moleculares
Los trabajos de Bunsen y Kirchoff sentaron las bases de la espectroscopia, fundamento
experimental del que surgieron los modelos atómicos de Rutherford, Bohr y posteriores. A partir de
entonces se sabe que los átomos están formados por un núcleo que contiene principalmente
protones y neutrones unidos por la interacción fuerte, mediada por otras partículas llamadas quarks
y una corteza alrededor de la cual se mueven los electrones en orbitales de energía bien definida
(orbitales atómicos). Al unirse los átomos para formar moléculas se modifican los orbitales debido a
las diversas interacciones entre las partículas de los átomos que constituyen la molécula,
desapareciendo los orbitales atómicos y formándose otros nuevos (orbitales moleculares).
Los electrones, tanto en los átomos como en las moléculas, pueden cambiar de orbital absorbiendo
energía o emitiéndola. La energía que absorben o emiten es de naturaleza electromagnética y viene
caracterizada por su longitud de onda que, en la región visible, corresponde a colores
característicos. El conjunto de longitudes de longitudes de onda que los electrones de un átomo o
molécula son capaces de absorber pasando a un orbital de mayor energía se conoce con el nombre
de su espectro de absorción, mientras que el conjunto de longitudes de onda que emite un átomo o
molécula cuando sus electrones de valencia pierden energía cayendo a orbitales de menor energía
constituye su espectro de emisión.
Se pueden observar fácilmente los espectros de emisión de átomos y moléculas sin más que excitar
un gas enrarecido con una descarga eléctrica y observar la luz emitida primero a ojo desnudo y,
después, con un espectroscopio o simplemente una red de difracción para poder separar las
diferentes longitudes de onda individuales que forman parte de la luz vista a ojo desnudo. A
continuación, se muestran algunos ejemplos. En ellos, aparece en primer lugar la luz tal y como se
ve a simple vista y, en la parte inferio,r el desdoblamiento de niveles que se observa con un
espectroscopio o una red de difracción:
Espectro atómico de helio (He)
Espectro atómico del neón (Ne)
Figura 12. Espectros del helio y del neón. Como gases nobles se encuentran en la naturaleza
en estado atómico.
Espectro atómico del Argón
Espectro atómico del mercurio (Hg).
Para obtenerlo es necesario pasar el mercurio a
fase de vapor
Figura 13. Espectros atómicos del argón y el mercurio. Para obtener el espectro del mercurio
en las mismas condiciones que los de los gases nobles ha sido necesario pasarlo a la fase de
vapor.
Espectro de emisión molecular del hidrógeno
Figura 14. Espectros de emisión moleculares
Espectro de emisión molecular del nitrógeno
Catodoluminiscencia
Un último fenómeno de interés constituyó la base de los antiguos televisores en color que se
basaban en un tubo de rayos catódicos. Es de todos conocido que se pueden obtener todos los
colores del espectro con la mezcla de tres colores fundamentales cualesquiera. La pantalla del
televisor estaba constituida por agrupamientos de tres puntos que podían emitir en el rojo, verde o
azul al incidir sobre ellos un haz de rayos catódicos. La intensidad de la luz dependía de la
intensidad del haz de rayos catódicos incidente que, a su vez, se correspondía con la intensidad del
correspondiente componente de color en la imagen original. Los haces de rayos catódicos barrían la
pantalla tan rápidamente que la persistencia de la imagen en la retina hacia que pareciese que toda
la pantalla se excitaba a la vez y se veía la imagen completa en lugar de visualizar cada punto de luz
independientemente.
Existen multitud de sustancias constituidas, generalmente, por una matriz cristalina y una impureza
en concentración controlada cuyos electrones pueden pasar del estado fundamental a un orbital de
mayor energía al recibir el impacto de un haz de electrones, decayendo después a su estado
fundamental con la emisión de luz de un color determinado. Este fenómeno recibe el nombre de
catodoluminscencia y se puede observar en la figura siguiente en la que se muestra una lámpara que
contiene flores metálicas recubiertas con sustancias catodoluminscentes que son sometidas al
impacto de un haz de rayos catódicos.
Lámpara con sustancias catodoluminiscentes Catodoluminscencia
antes de la excitación catódica
Figura 15. Catodoluminscencia