FENOMENOS DE CONDUCCION EN GASES •

Supongamos que el e s p a c i o c o m p r e n d i d o entre los dos p l a c a s de un conden- sador se encuentra lleno' de un gas a baja p r e s i ó n y que entre las p l a c a s c o n e c t a m o s , no un volt aje alterno con f r e c u e n c i a v a r i a b l e c o m o se hizo en el capítulo 4, sino una

tensión continua de magnitud c r e c i e n t e . Si m e d i a n t e un r e g i s t r a d o r s u f i c i e n t e m e n t e s e n s i b l e se t r a z a la curva c o r r i e n t e en función del v o l t a j e , se o b t e n d r á una g r á f i - ca c o m o la de la F i g . 5.1.

F

i g . 5.1.

E s t e tipo de c u r v a , analizada en p r i m e r l u g a r p o r T o w n s e n d , contiene dos z o n a s p r i n c i p a l e s de i n f o r m a c i ó n :

1. - D e s p u e s de una subida i n i c i a l , la c a r a c t e r í s t i c a a l c a n z a un v a l o r de s a t u r a c i ó n p a r a la c o r r i e n t e , Is, indicando que l o s p o r t a d o r e s de c a r g a están siendo g e n e r a d o s en el gas a v e l o c i d a d c o n s t a n t e .

2. - Un i n c r e m e n t o en el v o l t a j e , p a s a d a esta r e g i ó n , c o n d u c e a una s e g u n - da subida m u y rápida de la c o r r i e n t e hasta que, p a r a un v o l t a j e c r i t i c o , d e n o m i n a d o - t e n s i ó n de ruptura V m a x , el gas p a s a súbitamente de s e r un aislante r e l a t i v a m e n t e - b u e n o , a s e r un c o n d u c t o r e x c e l e n t e .

P a r a e x p l i c a r e s t e rápido i n c r e m e n t o de l o s p o r t a d o r e s de c a r g a , T o w n s e n d i n t r o d u j o el c o n c e p t o de avalancha. Este f e n ó m en o, p o d r í a r e s u m i r s e asi':

Un e l e c t r ó n , al a v a n z a r una distancia dx en la d i r e c c i ó n del c a m p o l i b e r a un n u e v o e l e c t r ó n m e d i a n t e ioniza ción p o r choque con una p r o b a b i l i d a d ¡xcbc. ; de a - q u í que _n_ e l e c t r o n e s p a s e n a s e r nj- dn al c a b o de dx_ , siendo

dn= n oídx ( 5 . 2 ) P o r e l l o , si d e l cátodo( x=0) han p a r t i d o fp e l e c t r o n e s , al ánodo (x=d) l l e g a r a n

(YA

°

F E N O M E N O S EN M A T E R I A L E S D I E L E C T R I C O S _{- 111 -}

E s t o e s , cada e l e c t r ó n p r o d u c e una avalancha de e l e c t r o n e s y el v a l o r de de la m i s m a v i e n e c a r a c t e r i z a d o p o r el p a r a m e t r o OC , d e n o m i n a d o p r i m e r c o e f i - c i e n t e de T o w n s e n d . Multiplicando a m b o s m i e m b r o s p o r la c a r g a e l e c t r ó n i c a , queda t r a n s f o r m a d a en una e c u a c i ó n de intensidad de la f o r m a . <Xd I b = l o C ^ ( 5 . 4 )

donde I es la c o r r i e n t e que llega al ánodo e I r e p r e s e n t a la c o r r i e n t e en el c á t o d o _{b * o 0} p r o d u c i d a p o r l o s agentes i o n i z a n t e s e x t e r n o s . Si Iq baja hasta c e r o , I h a r a lo m i s - m o . En o t r a s p a l a b r a s , si c e s a la e x c i t a c i ó n e x t e r i o r , la d e s c a r g a se i n t e r r u m p e . - D e ahi p r o v i e n e la d e n o m i n a c i ó n de d e s c a r g a no automantenida .

Con l o s m e c a n i s m o s a n t e r i o r e s no p a r e c e h a b e r s u f i c i e n t e p a r a l l e g a r a - p r o d u c i r s e una d e s c a r g a m a n t e n i d a . El p r o c e s o m á s v e r o s í m i l p a r a que la haya es

el de la e m i s i ó n de e l e c t r o n e s en el c á t o d o , debido al b o m b a r d e o con i o n e s p o s i t i - v o s ( d e n o m i n a d o , c o r r i e n t e m e n t e , e m i s i ó n s e c u n d a r i a p o r i o n e s p o s i t i v o s ) . E s t o s i o - n e s p r o c e d e r á n de a q u e l l o s á t o m o s del g a s , i o n i z a d o s , bien p o r c a u s a s n a t u r a l e s o bien p o r c o l i s i ó n d e . l o s e l e c t r o n e s que constituían la c o r r i e n t e I . Si l l a m a m o s - a lá c o r r i e n t e de e s o s e l e c t r o n e s l i b e r a d o s en el c á t o d o e l a la de l o s e l e c t r o n e s _e c r e a d o s p o r e x c i t a c i ó n e x t e r i o r , la c o r r i e n t e total lo s e r á a h o r a .

I = 1 + 1 ( 5 . 5 )

o s e

Si e r a I, la c o r r i e n t e en el ánodo , esta m i s m a c o r r i e n t e la h e m o s de t e n e r en todo b

el e s p a c i o o c u p a d o p o r el g a s , ya que no p u e d e t e n e r s e a c u m u l a c i ó n de c a r g a s . C o - m o la c o r r i e n t e total de e l e c t r o n e s es I , el r e s t o , I - I , ha s e r la c o r r i e n t e de _{o b o} i o n e s .

Si a h o r a , cada ion p o s i t i v o l i b e r a , c o m o p r o m e d i o , y e l e c t r o n e s del c á t o - do , se t e n d r á : Ig= y ( ib = i0) ( 5 . 6 ) de donde c o m b i n a n d o las e c u a c i o n e s (5. 4), (5. 5 . ) y (5. 6) s e o b t i e n e I eYd ^ * ( 5 . 7 ) b 1+

Y

- Ye d C o m o el p r o c e s o de p r o d u c i r e l e c t r o n e s b o m b a r d e a n d o el cátodo con i o n e s p o s i t i v o s es bastante i n e f i c a z , y es una magnitud p e q u e ñ a . Sus v a l o r e s r e p r e s e n t a t i - v o s se extienden de 0 , 2 0 a 0, 001, lo que s i g n i f i c a que, c o m o p r o m e d i o , p a r a la l i b e r a c i ó n de un s o l o e l e c t r ó n han de i n c i d i r en el c á t o d o de 5 a 1000 i o n e s , p o s i - t i v o s . M a t e m á t i c a m e n t e se d e d u c e que la c o r r i e n t e a u m e n t a r á i l i m i t a d a m e n t e cuando

e l d e n o m i n a d o r de la e c u a c i ó n (5. 7) se haga igual a c e r o . Es d e c i r , que la d e s c a r - ga se p r o d u c i r á cuando

oC d

e = 1 + 1' ( 5 . 8 ) C o m o , f í s i c a m e n t e , la c o r r i e n t e no puede i n c r e m e n t a r s e i l i m i t a d a m e n t e , la d e d u c -

c i ó n ha de i n t e r p r e t a r s e en el sentido de que cuando el p r i m e r m i e m b r o de esta i - gualdad se a p r o x i m a a 1+ 7 , se e x p e r i m e n t a r á un g r a n a u m e n t o de la intensidad, - p r o d u c i é n d o s e la t r a n s i c i ó n d e s d e la d e s c a r g a no automantenida a la automantenida.

La e x i s t e n c i a de una d e s c a r g a automantenida r e q u i e r e que el n ú m e r o de - i o n e s p r o d u c i d o s p o r un e l e c t r ó n al t r a s l a d a r s e d e s d e el c á t o d o hasta el á n o d o , sea c a u s a de que se r e g e n e r e o t r o e l e c t r ó n cuando a q u e l l o s c h o c a n con el c á t o d o . La e - c u a c i o n (5.8) e x p r e s a en r e a l i d a d , este c r i t e r i o . P a r a c o m p r o b a r l o , p u e d e v e r s e que s i TV e l e c t r o n e s abandonan el c á t o d o p o r segundo, en su p a s o del cátodo al ánodo -,

oC ¿

p r o d u c i r á n (ti- e - T)0 ) i o n e s p o r s e g u n d o . P o r e s t o , cuando un e l e c t r ó n abandona el c á t o d o , p r o d u c e ( e -1) i o n e s p o s i t i v o s en el c u e r p o del g a s . E s t o s i o n e s p o s i t i -

_,

oC ¿

v o s c r e a n , a su v e z , p o r el p r o c e s o }'en el c á t o d o , y (e -1) e l e c t r o n e s . E v i d e n t e - • * * * m e n t e , si e s t e n u m e r o es e x a c t a m e n t e igual a la unidad, un e l e c t r ó n e m i t i d o o r i - g i n a r i a m e n t e en el c á t o d o , d a r á o r i g e n a la e m i s i ó n de o t r o e l e c t r ó n d e s d e el m i s - m o c á t o d o . E s t e n u e v o e l e c t r ó n , en f o r m a p a r e c i d a , s e r á c a u s a de la f o r m a c i ó n - d e un t e r c e r e l e c t r ó n , continuando a s i i n d e f i n i d a m e n t e . En o t r o s t é r m i n o s , la d e s - c a r g a no r e q u i e r e ya ningún agente e x t e r i o r p a r a su mantenimiento. La c o n d i c i ó n - p a r a ello e s :

# d

y{e - 1 ) = 1 (5. 9) q u e , c o m o p u e d e v e r s e , es equivalente a la e c ( 5 . 8 )

N o s queda a h o r a e s t u d i a r con algún detalle l o s d i f e r e n t e s p a r á m e t r o s q u e - i n t e r v i e n e n en la e x p r e s i ó n (5.9) y s o b r e todo, i n v e s t i g a r la f o r m a en que afecta el e s p e s o r de la capa _d_ de gas d i e l é c t r i c o a la tensión de ruptura. Igualmente queda - e s t a b l e c e r el o r i g e n de l o s tf^ e l e c t r o n e s de p a r t i d a .

La p r o b a b i l i d a d de que un e l e c t r ó n l l e g u e a i o n i z a r p o r i m p a c t o , depende c l a r a m e n t e , de su e n e r g í a c i n é t i c a y de la e s t r u c t u r a a t ó m i c a del á t o m o o m o l é c u l a c o n el que c h o c a . Ya que, c o m o s a b e m o s , las c o n f i g u r a c i o n e s e l e c t r ó n i c a s de l o s - á t o m o s o m o l é c u l a s pueden p o s e e r v a r i o s e s t a d o s e x c i t a d o s , e x i s t i r á una p r o b a b i l i - dad m u y alta de que la e n e r g í a c i n é t i c a a c u m u l a d a p o r el e l e c t r ó n y debida al c a m p o e x t e r n o sea i n v e r t i d a en e x c i t a r e l e c t r o n e s del á t o m o o m o l é c u l a con el que c h o q u e n , o riginando e s t o s d e s p u é s una e m i s i ó n de luz o algún o t r o p r o c e s o s e c u n d a - r i o . D e b i d o a e l l o , el e l e c t r ó n se d e c e l e ra rá y d e b e r á c o m e n z a r de n u e v o . E s t o - queda g r á f i c a m e n t e d e m o s t r a d o m e d i a n t e el e x p e r i m e n t o de E r a n c k - H e r t z , ya c o n o -

F E N O M E N O S EN M A T E R I A L E S D I E L E C T R I C O S - 113 -

c i do de F i s ica G e n e r a l , A d e m a s de e s t o , l o s g a s e s e l e c t r o n e g a t i v o s pueden a t r a p a r a l o s e l e c t r o n e s al m i s m o t i e m p o que se d e c e l e r a n y p o r e l l o , quedan c o m o i o n e s - n e g a t i v o s i n a c t i v o s . L o s i o n e s no son e f e c t i v o s c o m o i o n i z a d o r e s p o r c h o q u e , hasta que a l c a n z a n tina e n e r g í a c i n é t i c a m u c h o m a y o r que la de l o s e l e c t r o n e s . P r e d e c i r p o r todo e l l o , cuando se l l e g a a o r i g i n a r una avalancha de e l e c t r o n e s , r e q u i e r e li- na d i s c u s i ó n m u y detallada del m o v i m i e n t o de un e l e c t r ó n en función de su v e l o c i - dad. E s t e c á l c u l o , t o t a l m e n t e de tipo e s t a d í s t i c o , no s e r á p r e s e n t a d o aquí' ya q u e - se sale de n u e s t r a m a t e r i a . U n i c a m e n t e d i r e m o s que l o s r e s u l t a d o s e x p e r i m e n t a lee dan que a p a r e c e un m á x i m o en las c u r v a s c a r a c t e r í s t i c a s de la p r o b a b i l i d a d de i o -

2 n i z a c i o n p a r a v e l o c i d a d e s del e l e c t r ó n del o r d e n de 10 e V , La p r o b a b i l i d a d de i o - n i z a c i ó n de T o w n s e n d e s , asi', un t e r m i n o e x p e r i m e n t a l obtenido p o r la a d e c u a - da i n t e g r a c i ó n s o b r e un m a r g e n m u y a m p l i o y no m u y bien d e t e r m i n a d o de v e l o c i - d a d e s . Una situación s i m i l a r m e n t e c o m p l e j a a p a r e c e p a r a la d e t e r m i - n a c i ó n de la p r o b a b i l i d a d de r e g e n e r a c i ó n y . La p r o b a b i l i d a d de que un ion p o s i t i - v o l i b e r e un e l e c t r ó n en el cátado es una función del tipo de ion, de su e n e r g í a - - c i n é t i c a y de la situación y c a r a c t e r í s t i c a s del m e t a l de la s u p e r f i c i e con la que - c h o c a . I g u a l m e n t e , un n u e v o e l e c t r ó n p u e d e l i b e r a r s e en el c á t o d o , n o s o l a m e n t e - - p o r choque de i o n e s , sino también p o r e f e c t o f o t o e l é c t r i c o o p o r e m i s i ó n t é r m i c a o p o r c a m p o e l é c t r i c o .

El e s p e s o r d del d i e l é c t r i c o de gas v e m o s i n t e r v i e n e en las e x p r e s i o n e s - a n t e r i o r e s de f o r m a e x p o n e n c i a l . P o r ello un p e q u e ñ o i n c r e m e n t o en la distancia d o r i g i n a r á un grán i n c r e m e n t o en el v a l o r de ( e ^ - 1 ) y p o r e l l o una d r á s t i c a dism_i n u c i ó n del v o l t a j e de ruptura. E s t o p u e d e o b s e r v a r s e en el m a r g e n de las b a j a s - - p r e s i o n e s , en el que el n ú m e r o de c h o q u e s de un e l e c t r ó n que a t r a v i e s a el e s p a c i o -

entre e l e c t r o n e s es p e q u e ñ o . El n ú m e r o de c h o q u e s es p r o p o r c i o n a l al p r o d u c t o - (pd) d e b i d o a que la p r e s i ó n del g a s j v ( o m á s e x a c t a m e n t e , la densidad del gas ) es i n v e r s a m e n t e p r o p o r c i o n a l al c a m i n o l i b r e m e d i o da un e l e c t r ó n . P a s c h e n , en - 1889, e n c o n t r ó que la ruptura, en un d e t e r m i n a d o gas o c u r r í a p a r a una tensión que e - ra f u n c i ó n ú n i c a m e n t e de é s t e p r o d u c t o . E s t e h e c h o r e p r e s e n t a una l e y de similitud: d i s m i n u y e n d o el e s p e s o r del d i e l é c t r i c o en un c i e r t o f a c t o r e i n c r e m e n t a n d o la d e n - sidad d e l g a s en el m i s m o f a c t o r , se m a n t i e n e el p a r á m e t r o i m p o r t a n t e , la caida de v o l t a j e , i n a l t e r a d o .

Al m e d i r las c u r v a s de P a s c h e n ( F i g . 5 . 2 ) s e encuentra que, a p a r t i r de un c i e r t o v a l o r de pd lo a n t e r i o r deja de c u m p l i r s e : p a r a altas p r e s i o n e s o g r a n d e s s e p a r a c i o n e s entre l o s e l e c t r o d o s , el v o l t a j e de ruptura v u e l v e a h a c e r s e m a y o r .

V(volts) 900 800 700 5 0 0 4 0 0 300 200

iOO

No

_L 1 I ) I-

0

3 4-

ÍO

p d (cm <Je Hg y. cm)

F i g - 5 . 2

El. m í n i m o en la curva de P a s c h e n indica que en e s e m o m e n t o el n ú m e r o de c h o q u e s es tan e x a c t o que la energía cinética que a c u m u l a n los e l e c t r o n e s es la m á s idónea p a r a la i o n i z a c i ó n . A la i z q u i e r d a de dicho m í n i m o , el n ú m e r o de c o l i -

s i o n e s es d e m a s i a d o p e q u e ñ o p a r a l l e g a r a o r i g i n a r la avalancha con el v o l t a j e del m i s m o , m i e n t r a s que a la d e r e c h a o c u r r e n d e m a s i a d o s c o l i s i o n e s y gran p a r t e de la e n e r g í a se i n v i e r t e en p r o c e s o s de e x c i t a c i ó n . La m i s m a curva de P a s c h e n p u e d e c o n s i d e r a r s e c o m o una linea de e q u i l i b r i o (1_> 1) en la que un e l e c t r ó n o r i g i n a o t r o e l e c t r ó n , y que s e p a r a una región i n f e r i o r p a r a la que la avalancha es d e m a s i a d o - pequeña p a r a l l e g a r a r e g e n e r a r un e l e c t r ó n a p a r t i r del de partida (1 > <11), de o - t ra s u p e r i o r en la que se r e l i b e r a m a s de un e l e c t r ó n en el cátodo (1 * > 1), ( F i g . 5. 3)

El m o d e l o p r e s e n t a d o hasta aquí" p a r e c e i m p l i c a r que la e v o l u c i ó n del p ro - c e s o de ruptura r e q u i e r e , al m e n o s , el i n t e r v a l o de t i e m p o n e c e s a r i o pa ra que los - iones p o s i t i v o s a t r a v i e s e n la s e p a r a c i ó n entre cátodo y á n o d o . L a s p r i m e r a s e x p e r i e n - c i a s , r e a l i z a d a s p o r R o g o w s k i en 1928, e s p e r a b a n p o r ello e n c o n t r a r t i e m p o s de rup -

- 4

tura del o r d e n de 10 s e g s a p r e s i o n a t m o s f é r i c a . L o s r e s u l t a d o s fue ron t i e m p o s - - 6 - 7

de 10 a 10 s e g s . E s t e h e c h o p a r e c i ó e c h a r p o r t i e r r a la t e o r í a de T o w n s e n d has ta que se e n c o n t r ó o t r o h e c h o fundamental que había sido d e s p r e c i a d o : la influencia

F E N O M E N O S EN M A T E R I A L E S D I E L E C T R I C O S - 115 -

de la c a r g a e s p a c i a l s o b r e la d i s t r i b u c i ó n o r i g i n a l del c a m p o (linea de t r a z o s de la F i g . 5 . 3 ( b )

F i g . 5 . 3

Cuando l o s e l e c t r o n e s quedan en el ánodo, la c a r g a e s p a c i a l de la avalan - cha de i o n e s p o s i t i v o s quedan a t r a s . Y así*, la c a r g a e s p a c i a l de unas cuantas ava - lanchas s u c e s i v a s p u e d e s e r s u f i c i e n t e p a r a " c o n t r a e r " el c a m p o , sin ningún m o v i - m i e n t o de l o s i o n e s , y o r i g i n a r una caida c a t ó d i c a bastante a b r u p t a ( F i g . 5. 3(b)). P o r

e l l o s , l o s i o n e s p o s i t i v o s tienen que a v a n z a r s o l a m e n t e una pequeña distancia e n f r e n - te del c á t o d o , a y u d a d o s p o r c a m p o s m u y i n t e n s o s , p a r a o r i g i n a r una ruptura f i n a l . - Esto tiene l u g a r en t i e m p o s d e l o r d e n de l o s o b t e n i d o s e x p e r i m e n t a l m e n t e .

El c o n c e p t o b á s i c o ante rio r, de que l o s e l e c t r o n e s .ionizan y de que la di f e r e n c i a de v e l o c i d a d e s entre e s t o s e l e c t r o n e s r á p i d o s y l o s lentos i o n e s p o s i t i v o s - llega a p o l a r i z a r al d i e l é c t r i c o , tiene m u c h a s a p l i c a c i o n e s de i n t e r é s . Asi', p o r e - j e m p l o , si v o l v e m o s a la c u r v a de P a s c h e n y a su i n t e r p r e t a c i o n c o m o una lfn ea de

s e p a r a c i ó n e n t r e d o s r e g i o n e s c a r a c t e r i z a d a p o r una r e l a c i ó n de r e g e n e r a c i ó n 1:1, - p u e d e o b s e r v a r s e que una ruptura i n i c i a d a a la d e r e c h a del mi'nimo debe c o n d u c i r a una i n e s t a b i l i d a d ( F i g . 5 . 3 ) . A s í , cuando s e inicia la ruptura en un punto tal c o m o - el A, la c a r g a e s p a c i a l p o s i t i v a que queda e n f r e n t e del ánodo actúa c o m o una e s p e - c i e de r e d u c t o r de la s e p a r a c i ó n entre e l e c t r o d o s . El c a m p o en la zona del c á t o d o a u m e n t a , y el punto de t r a b a j o v i r t u a l se d e s p l a z a h a c i a la i z q u i e r d a a una r e g i ó n de m a y o r e f e c t i v i d a d . La r e l a c i ó n de r e g e n e r a c i ó n , y con ella la c o n t r a c c i ó n del

c a m p o , aumenta de f o r m a a c e l e r a d a , p e r o d i s m i n u y e cuando se a c e r c a el punto de t r a b a j o a la p a r t e i z q u i e r d a de la c u r v a . La e s t a b i l i z a c i ó n final tiene lugar c e r c a del punto B si el v o l t a j e entre l o s e l e c t r o d o s se m a n t i e n e constante; la c o r r i e n t e , de m e d i r s e , p o d r i a o b s e r v a r s e había aumentado en v a r i o s ó r d e n e s de magnitud.

El c a m p o p r i n c i p a l a p a r e c e a h o r a c o n c e n t r a d o en una pequeña zona d e n o - minada caida c a t ó d i c a , que se p r e s e n t a c o m o el e s p a c i o o s c u r o de una d e s c a r g a - l u m i n i s c e n t e , en ella l o s i o n e s se dirigen h a c i a el cátodo p a r a c o n s e g u i r la r e g e - n e r a c i ó n de e l e c t r o n e s . El r e s t o del e s p a c i o entre e l e c t r o d o s a p a r e c e puenteado p o r la " c o l u m n a p o s i t i v a " . Esta r e g i ó n no es sino una m e z c l a de e l e c t r o n e s e i o - n e s p o s i t i v o s , de alta c o n d u c t i v i d a d , que r e q u i e r e s ó l o un p e q u e ñ o gradiente de vo]_ taje p a r a m a n t e n e r un f l u j o de c o r r i e n t e . En e s t e nuevo punto de t r a b a j o c e r c a de B, la d e s c a r g a p o s e e " e s t a b i l i d a d longitudinal", ya que una c o n t r a c c i ó n de la caida c a t ó d i c a debido a un i n c r e m e n t o e s t a d í s t i c o de la i o n i z a c i ó n c o n d u c e a un m e n o r - r e n d i m i e n t o de la i o n i z a c i ó n con la c o n s i g u i e n t e expansión y v i c e v e r s a . La c o l u m - na p o s i t i v a es la fuente de luz de la d e s c a r g a l u m i n o s a , ya que en ella l o s e l e c - t r o n e s son lentos y disipan la m a y o r p a r t e de su e n e r g í a en p r o c e s o s de excita - ción e l e c t r ó n i c a .

D e b i d o a que l o s e l e c t r o n e s y l o s i o n e s juegan tan d i f e r e n t e s p a p e l e s en la ruptura y el c o n s i g u i e n t e e s t a b l e c i m i e n t o de las d e s c a r g a s en l o s g a s e s , esto e s , los e l e c t r o n e s o r i g i n a n d o la e x c i t a c i ó n y la i o n i z a c i ó n , y l o s iones, la f o r m a c i ó n - de la c a r g a e s p e c i a l y su r e g e n e r a c i ó n , la ruptura en c a m p o s no h o m o g é n e o s es un p r o c e s o t í p i c a m e n t e dependiente de la p o l a r i d a d . L a s f o r m a s de las f i g u r a s de - las d e s c a r g a s p o s i t i v a y negativa son de gran i m p o r t a n c i a p a r a una gran v a r i e d a d de f e n ó m e n o s d e s d e l o s c o n t a d o r e s G e i g e r y las c á m a r a s de Wilson a la i n t e r p r e - tación de los r a y o s a t m o s f é r i c o s .

N o s queda f i n a l m e n t e el estudio del u l t i m o p a r á m e t r o que intervenía e n - es te f e n ó m e n o . V i m o s que toda la c o m p l e j a s e c u e n c i a de f e n ó m e n o s p r e s e n t a d o s - tenian su i n i c i o en unos p o c o s e l e c t r o n e s , T\0. El p r o b l e m a e s , p u e s , el de la de - t e r m i n a c i ó n del o r i g e n de los m i s m o s , si se ha e x c l u i d o la e m i s i ó n espontanea dej> de el c á t o d o . D e t a l l a d o s estudios r e a l i z a d o s cuando se d e s c u b r i ó el f e n ó m e n o a d j u - d i c a r o n dicho o rigen a agentes ionizantes a j e n o s al s i s t e m a c o n s i d e r a d o . De todos - e l l o s , los que p a r e c i e r o n t e n e r m a s i m p o r t a n c i a f u e r o n l o s agentes r a d i o a c t i v o s e s - p ú r e o s p r e s e n t e s en la c o r t e z a t e r r e s t r e , en el a i r e y en las p a r e d e s del c o n d e n s a - d o r g a s e o s o en el seno del cual se p r o d u c í a la d e s c a r g a . P a r e c i ó , p o r e l l o , que el e f e c t o q u e d a r í a g r a n d e m e n t e a m i n o r a d o si el c o n d e n s a d o r , c o n v e n i e n t e m e n t e p r e c i n - ta do, era l l e v a d o a una c i e r t a altura. Enviados en g l o b o s sonda se e n c o n t r ó , s o r - p T e n d e n t e m e n t e q u e , d e s p u é s de una d i s m i n u c i ó n i n i c i a l , a p a r e c í a un c o n s i d e r a b l e a u m e n t o . E s t o d e m o s t r ó que el o r i g e n de la i o n i z a c i ó n p r o v e n í a de r a d i a c i o n e s p r o c e d e n t e s de c a p a s s u p e r i o r e s a la a t m o s f é r i c a . G r a c i a s a e s t e h e c h o fue ron d e s c u -

F E N O M E N O S EN M A T E R I A L E S D I E L E C T R I C O S - 117 - b i e r t o s l o s r a y o s c ó s m i c o s . I n v e s t i g a c i o n e s s i s t e m á t i c a s del p r o c e s o de r e c o m b i n a c i ó n m o s t r a r o n que l o s e l e c t r o n e s l i b r e s p r o d u c i d o s p o r esta i o n i z a c i ó n p r i m a r i a eran a t r a p a d o s , en ge n e r a l d e s p u e s de un i n t e r v a l o de t i e m p o c o n s i d e r a b l e m e n t e p e q u e ñ o , p a r a f o r m a r - p e q u e ñ o s " i o n e s n e g a t i v o s " de tamaño m o l e c u l a r . E s t o s p e q u e ñ o s i o n e s , a su v e z , - eran c a p t u r a d o s p o r p a r t í c u l a s de p o l v o , p o l e n , etc p a r a f o r m a r " i o n e s " de m a y o r t a m a ñ o . F i n a l m e n t e , l o s p o r t a d o r e s de c a r g a p o s i t i v o s y n e g a t i v o s v o l v i a n a de sapa r e c e r p o r r e c o m b i n a c i o n .

Un c a m p o e x t e r n o podia l l e g a r a i n t e r f e r i r con esta s e c u e l a de h e c h o s . En p r i m e r l u g a r , la r e c o m b i n a c i o n podia s e r inhibida y l o s i o n e s f o r m a d o s , c o n s t i t u i r una c o r r i e n t e de s a t u r a c i ó n . Según sea i n c r e m e n t a n d o el c a m p o , se van manteniendo l i b r e s l o s e l e c t r o n e s y d i s p u e s t o s en c o n d i c i o n de i o n i z a r p o r c h o q u e , según h e m o s - v i s t o . E l n ú m e r o -r^ de e l e c t r o n e s de p a r t i d a e s , p o r e l l o , un f a c t o r e s t a d i s t i c o que d e p e n d e r á de las c o n d i c i o n e s de i o n i z a c i ó n , del g a s , y del c a m p o a p l i c a d o .

C o m o r e s u m e n de todo lo a n t e r i o r y a fin de sintetizar las i d e a s e x p u e s - tas v e a m o s la s e c u e n c i a c o m p l e t a de h e c h o s que se p r e s e n t a n en la c o n d u c c i ó n y - ruptura en l o s g a s e s s o b r e l o s que actúa una tensión.continua:

1 . - I o n i z a c i ó n p o r c a u s a s e x t e r n a s ( r a d i o a c t i v a s , r a y o s c o s m i c o s , . . . ) 2 . - Captura de l o s e l e c t r o n e s y r e c o m b i n a c i o n de i o n e s . 3. - Anulación, p o r c a m p o s e x t e r n o s , de l o s dos e f e c t o s a n t e r i o r e s . 4. - A c e l e r a c i ó n de l o s e l e c t r o n e s 5 . - D e c e l e r a c i ó n p o r e x c i t a c i o n e s e l e c t r ó n i c a s 6. - I o n i z a c i ó n p o r i m p a c t o y f o r m a c i ó n de la avalancha 7 . - R e g e n e r a c i ó n de l o s e l e c t r o n e s en el cátodo p o r i m p a c t o de i o n e s , e - f e c t o f o t o e l é c t r i c o , e t c . 8. - D i s t o r s i ó n del c a m p o p o r c a r g a e s p a c i a l p o s i t i v a 9 . - C o n t r a c c i ó n del c a m p o en una caida c a t ó d i c a 10. - F o r m a c i o n de una d e s c a r g a l u m i n o s a

11. - R e m a t e de la ruptura m e d i a n t e a r c o , e x t r a y e n d o e l e c t r o n e s del cátodo m e d i a n t e e m i s i ó n t e r m o i o n i c a o p o r c a m p o .

5. 2. F E N O M E N O S D E R U P T U R Á _ E N LIQUIDOS Y SOLIDOS. -

La tensión de ruptura del a i r e , a 1a. p r e s i ó n a t m o s f é r i c a , en un c a m p o h o - m o g é n e o , es del o r d e n de 30 K v / c m ( 3 M v / m ) . Si una l e y s i m i l a r a la de P a s c h e n - pudiera e x t r a p o l a r s e a las d e n s i d a d e s que a p a r e c e n en s o l i d o s y l i q u i d o s , esto e s , -

al equivalente de un gas a 1000 a t m . , d e b e r í a o b t e n e r s e una tensión de ruptura de - 3 4 ,

La r e a l i d a d es que los v a l o r e s m e d i d o s en la m a y o r p a r t e de los a i s l a n t e s s o n del o r d e n de entre 10 y 100 v e c e s m e n o r e s . P o r ello d e b e m o s i n f e r i r que los fe n ó m e n o s que deben p r e s e n t a r s e son m u y d i f e r e n t e s , De h e c h o , i n c l u s o , s e r á n m u y - d i f e r e n t e s de l í q u i d o s a s ó l i d o s . C o m o , n o r m a l m e n t e , la m a y o r p a r t e de las v e e e s t r a t a r e m o s con d i e l é c t r i c o s s ó l i d o s , h a r e m o s un e s p e c i a l h i n c a p i é en e l l o s , dan do unos b r e v e s i d e a s de lo que o c u r r e en l í q u i d o s . 5. 2.1. R U P T U R A EN D I E L E C T R I C O S LIQUIDOS. - L o s l í q u i d o s p o s e e n v o l t a j e s de ruptura m u y s u p e r i o r e s a l o s de los g a s e s en c o n d i c i o n e s n o r m a l e s . De h e c h o , es m u y d i f í c i l l l e g a r a la ruptura en un liquido p u r o . Sin e m b a r g o , s i e m p r e existen g a s e s y p e q u e ñ a s p a r t í c u l a s en l o s l í q u i d o s . La p r e s e n c i a de e s t a s i m p u r e z a s c o m p l i c a g r a n d e m e n t e el f e n ó m e n o de la ruptura en - - l í q u i d o s h a c i e n d o m u y d i f í c i l e l a b o r a r una t e o r í a en e l l o s de la m i s m a . De h e c h o , e - x i s t e n un gran n u m e r o de intentos de e x p l i c a c i ó n del m e c a n i s m o aunque ninguno satis f a c t o r i o . No n o s d e t e n d r e m o s m u c h o en é s t e punto ya que con r e s p e c t o a las a p l i c a -

c i o n e s e l e c t r ó n i c a s c o m o h e m o s dicho, s a l v o en algunos c a s o s , no es un p r o b l e m a - c r u c i a l .

U n i c a m e n t e h a r e m o s m e n c i ó n algunas de las t e o r í a s m a s s i g n i f i c a t i v a s . La t e o r í a t é r m i c a h a c e o r i g i n a r a la ruptura en el c a l e n t a m i e n t o p a r c i a l d e l liquido que h a c e que, en l u g a r e s donde e x i s t e una g r a n cantidad de i m p u r e z a s , - s e f o r m e n " p u e n t e s " g a s e o s o s entre l o s e l e c t r o d o s .

La t e o r í a de una ruptura p u r a m e n t e e l é c t r i c a e x p l i c a el f e n o m e n o c o m o el r e s u l t a d o de una e x t r a c c i ó n ' d e e l e c t r o n e s de l o s e l e c t r o d o s m e t á l i c o s o de la d e s i n - t e g r a c i ó n de las m o l é c u l a s del p r o p i o líquido.

La r e a l i d a d es que los e x p e r i m e n t o s d e m u e s t r a n que la m a y o r influencia - s o b r e la ruptura r a d i c a en las i m p u r e z a s p r e s e n t e s en el líquido. P e r o esta influencia e s m u y pequeña en e l c a s o de ruptura p o r p u l s o s . En este c a s o , la tensión de p u l s o s n e c e s a r i a p a r a c a u s a r ruptura es de entre c i n c o y s e i s v e c e s m a y o r que en el c a s o de continua. P a r a f r e c u e n c i a s de r a d i o , el e f e c t o p r i n c i p a l , en c a m b i o , es el del calen t a m i e n t o . E s t o e x p l i c a el h e c h o de la r e d u c c i ó n de l o s v o l t a j e s de t r a b a j o pa ra d i e l e c t r i e o s l í q u i d o s , c o m p a r a ti v am en t e con el c a s o de a p l i c a r bajas f r e c u e n c i a s . 5 . 2 . 2 . R U P T U R A EN D I E L E C T R I C O S SOLIDOS. - E x i s t e n c u a t r o tipos de ruptura en d i e l é c t r i c o s s o l i d o s : a) Ruptura e l é c t r i c a en d i e l é c t r i c o s h o m o g é n e o s m a c r o s c ó p i c a m e n t e b) Ruptura e l é c t r i c a en d i e l é c t r i c o s no h o m o g é n e o s

F E N O M E N O S EN M A T E R I A L E S D I E L E C T R I C O S - 119 -

c) Ruptura t é r m i c a d) Ruptura e l e c t r o q u í m i c a

Cada uno de e s t o s m e c a n i s m o s de ruptura puede o c u r r i r a un d e t e r m i n a d o m a t e r i a l de a c u e r d o con la n a t u r a l e z a d e l c a m p o e l é c t r i c o ( según sea continuo, a l - t e r n o p u l s a d o , de alta o baja f r e c u e n c i a , e t c ) , con la p r e s e n c i a de d e f e c t o s , de - p o r o s , con la t e m p e r a t u r a , c o n el t i e m p o que está actuando el v o l t a j e , e t c .

E s t u d i e m o s a c o n t i n u a c i ó n , b r e v e m e n t e , cada uno de e s t o s t i p o s .

5. 2. 2 . 1 . - R U P T U R A E L E C T R I C A EN D I E L E C T R I C O S H O M O G E N E O S . -

Este tipo de ruptura se d e s a r r o l l a r á p i d a m e n t e . N o r m a l m e n t e no tarda m a s - 7 - 8 , ,

de 10 - 10 seg en o c u r r i r . No depende de la energia t é r m i c a , aunque la ten - sion de ruptura p u e d e d e p e n d e r a l g o de e l l a , a p a r e c i e n d o en l o s m o m e n t o s i n i c i a l e s unos p e q u e ñ o s c a n a l e s m u y e s t r e c h o s a t r a v é s del d i e l é c t r i c o .

Esta ruptura e s , p o r n a t u r a l e z a , un p r o c e s o p u r a m e n t e e l e c t r ó n i c o en el que u n o s p o c o s e l e c t r o n e s inician una avalancha de e l l o s . De a c u e r d o con las nuevas t e o r í a s , e s t o s e l e c t r o n e s disipan su e n e r g i a c i n é t i c a , obtenida a p a r t i r del c a m p o e - l é c t r i c o , e x c i t a n d o v i b r a c i o n e s e l a s t i c a s en la m a l l a c r i s t a l i n a . Cuando l o s e l e c t r o - n e s a l c a n z a n una c i e r t a v e l o c i d a d c r i t i c a , pueden l l e g a r a l i b e r a r n u e v o s e l e c t r o n e s con l o que e l e s t a d o e s t a c i o n a r i o queda r o t o , e s t o e s , apa r rece ra una i o n i z a c i ó n - - p o r c o l i s i ó n .

Una ruptura p u r a m e n t e e l é c t r i c a o c u r r i r á cuando se e l i m i n e n los e f e c t o s de c o n d u c t i v i d a d y p é r d i d a s d i e l é c t r i c a s , que o r i g i n a n el c a l e n t a m i e n t o m a t e r i a l y no a p a r e z c a i o n i z a c i ó n en el p o s i b l e gas o c l u i d o . En e l c a s o de un c a m p o u n i f o r m e y de un m a t e r i a l con una e s t r u c t u r a c o m p l e t a m e n t e h o m o g e n e a , el v o l t a j e de r u p - tura p u e d e u s a r s e c o m o una m e d i d a de la r i g i d e z d i e l é c t r i c a de dicho m a t e r i a l . E s - tas c o n d i c i o n e s se s a t i s f a c e n de h e c h o , p a r a l o s c o m p u e s t o s de l o s h a l u r o s a l c a ü n o s m o n o c r i s t a l i n o s y algunos p o l í m e r o s o r g á n i c o s . En este c a s o , la tensión de

4

ruptura es d e l o r d e n de 10 K V / c m .

5. 2 , 2 . 2 , R U P T U R A E L E C T R I C A EN D I E L E C T R I C O S NO H O M O G E N E O S . -

E s t e tipo de ruptura es c a r a c t e r í s t i c o de l o s d i e l é c t r i c o s c o m e r c i a l e s que en la m a y o r p a r t e de los c a s o s contienen a l g o de gas o c l u i d o . Igual que la ruptura vista en 5 . 2 . 2 . 1 . s e d e s a r r o l l a m u y i-apidamente. L a s t e n s i o n e s de ruptura de l o s d i e l é c t r i c o s no h o m o g é n e o s en un c a m p o u n i f o r m e son, p o r lo g e n e r a l , m u y s i m i l a -

r e s . E s t o p u e d e v e r s e en la F i g . 5. 4. donde se m u e s t r a la tensión de ruptura en - función d e l e s p e s o r de la m u e s t r a p a r a c e r á m i c a s a 50 c / s .

Kv/cm-

300

200

0,8 i.2 í,6 ZO

1. PORCELANA

3E ALTA

FRECUENCIA

CAMPO UN/FORME

In document Materiales para la tecnología de componentes electrónicos (página 97-108)