Descarga Glow en aire
Nuevo, Federico; Escobar, MargaritaLaboratorio 5, Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires.
En el presente trabajo se estudió el comportamiento del aire en alta tensión (alrededor de 1000V) y a presiones inferiores a la atmosférica (aproximadamente 0,1 torr). Se obtuvieron curvas de voltaje en función de la corriente para distintos valores de presión y distancia interelectródica.
I. INTRODUCCIÓN
La descarga glow es un fenómeno de descarga eléctrica en gases. Se produce al someter a un gas a baja presión (del orden de las décimas de torr) entre dos electrodos a alta tensión (entre 100 y 1000 V).
Figura 1. Esquema de un armado experimental para producir descargas glow.
En un dispositivo experimental como el de la figura 1, al aplicarse una diferencia de potencial entre los electrodos se genera un campo eléctrico dentro del gas. A bajas tensiones, el gas se comporta como un aislante y la corriente es prácticamente nula. A medida que se aumenta el potencial interelectródico se llega a un punto de ruptura a partir del cual se puede observar una descarga eléctrica en el gas, así como se puede registrar el flujo de corriente.
La descarga producida es autosostenida. Se origina a partir de electrones semilla inyectados artificialmente (como puede ser por efecto de los rayos cósmicos o radiación ultravioleta), que son acelerados por el campo eléctrico hasta alcanzar una energía suficiente como para ionizar los átomos o moléculas del gas, generando un efecto avalancha, cuya magnitud depende de diversos factores: tasa de ionización, pérdida deenergía, pérdida de electrones, etc. Para el estudio de este fenómeno se suelen construir gráficos de tensión en función de corriente, como el ilustrado en figura 2.
Figura 2. Esquema de las etapas de una descarga glow sobre el gráfico de tensión vs. Corriente En [1] se encuentra una descripción detallada de cada una de las partes.
En la zona de descarga oscura, la excitación del gas es tan pequeña que no se percibe emisión de luz. El punto D identifica el punto de ruptura a partir del cual el gas comienza a comportarse como un conductor. En la zona de la descarga glow se puede apreciar la emisión de luz como resultado de la excitación del gas y su posterior desexcitación. También en la figura se representa el proceso de histéresis que se da en la separación de la zona de descarga glow y la de descarga oscura, al presentar comportamientos diferentes según se esté aumentando o disminuyendo la tensión progresivamente.
Ruptura de descargas autosostenidas en un campo constante.
electrones libres, producidos a partir de los electrones del proceso primario y determinados por el coeficiente de emisión secundaria
.Potencial de ignición
A partir de un umbral de potencial que depende del gas, el material de los electrodos y otros factores de la experiencia, la corriente se vuelve autosostenida y se ingresa en la zona de descarga glow. Para modelar el potencial de ignición
V
t, Paschen propuso el siguiente modelo [2]:)
ln(
pd
B
Apd
V
t
(1)
) 1 1 ln( ln
CB (2)
Habiendo ingresado en la zona de descarga glow, la corriente (que ya no es cero) al aumentar, incrementa la caída de potencial sobre los diversos componentes resistivos del circuito, por lo que en el momento exacto en que se llega al potencial de ignición se espera ver una caída de la diferencia de potencial entre los electrodos.
A partir de valores experimentales para los coeficientes, se pueden construir las llamadas curvas de Paschen, que representan el potencial de ignición
t
V
en función de la presión por la distancia pd. En la figura 3 se representan dichas curvas.Figura 3. Curvas de Paschen para distintos gases.
A 365
B 1,18 (si
10-3)C 15
(pd)mín 0,83
(
V
t)mín 300VTabla I. Valores típicos para el aire extraídos de [2].
C. Comportamiento con la presión
La figura 4 muestra una serie de curvas V vs I en las que se recorren los regímenes de descarga oscura, glow normal y glow anormal, para distintas presiones. Se puede observar cómo aumenta el rango de valores de corriente para los cuales existe glow normal a medida que se incrementa la presión.
Figura 4. Curva V vs I para distintas presiones de Neón.
DESARROLLO DE LAS EXPERIENCIAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Figura 5. Esquema de la experiencia realizada.
Dentro de una cavidad hermética de vidrio se colocaron los electrodos conectados al divisor de tensión. Mediante una bomba de vacío se bajaba la presión del interior de la cavidad, llevando registro de su valor a través de un medidor pirani. Una válvula aguja permitía regular la presión dentro de la cavidad. El circuito estaba conectado a dos multímetros HP que registraban los datos y los enviaban a una pc, para su procesamiento a través del programa LabView.
El circuito de división de tensión se presenta en la figura 6.
Figura 6. Circuito de división de tensión.
Calibración
En primer lugar se calibró el sistema de medición, calculando el factor de división efectivo del divisor de corriente. Para ello, se midió la tensión en el circuito y se la comparó con la diferencia de potencial entre los electrodos. La experiencia consistía en subir el potencial de la fuente e ir registrando los valores que surgían de comparar la alta tensión con la tensión en el circuito.
La calibración resultante se muestra en la figura 7.
Figura 7. Calibración del divisor de tensión. La constante de proporcionalidad se obtuvo mediante regresión lineal, obteniéndose una constante de proporcionalidad de
V mV ) 023 , 0 206 , 1
( .
A través de la pendiente de calibración, se pudo obtener el valor de la tensión registrada por la fuente, simplemente multiplicando el valor de la constante de proporcionalidad por el valor de la tensión registrados por medio del multímetro.
Observación del potencial de ruptura
Figura 8. Para una distancia de (1,50,1)cm y una
presión de (3,000,05)Torr, se pueden observar el potencial de ignición (punto máximo de tensión para el cual se produce el salto) y el comportamiento de la corriente para tiempos anteriores y posteriores de producida la descarga.
Efecto glow para distintas presiones de aire
Se analizó el comportamiento de la tensión en función de la corriente en el régimen glow para distintos valores de presión. De esta manera se buscó observar cómo aumenta el rango de valores de corriente para los cuales existe glow normal a medida que se incrementa la presión. En la figura 9 se representaron las diferentes curvas.
Figura 9. Se puede observar como aumenta el rango de valores de corriente para los cuales existe glow normal a medida que se incrementa la presión.
Histéresis
Se intentó medir el fenómeno de histéresis superponiendo las curvas de tensión vs. corriente obtenidas al aumentar la diferencia de potencial con la curva correspondiente a un barrido disminuyendo
Figura 10. Curva de histéresis para un valor de presión de 1
10
).
05
,
0
2
,
2
(
Torr y (1,30,1)cm.Se puede observar, comparando el barrido de aumento de tensión con el de disminución, que la tensión en ambos casos aumenta generando curvas que no se intersecan. Esto podría interpretarse a través de un cambio en la presión, es decir, pudo haber un aumento de presión en el transcurso del barrido descendente. Los pocos puntos hallados se deben a una escala insuficientemente pequeña de tensión del multímetro.
Curvas de Paschen
Figura 11. Ajuste de la curva de Paschen. Se obtuvieron los valores de 495,7 y 1,483 para los parámetros A y B respectivamente del modelo teórico.
Parámetros Tabulados Datos obtenidos
A (volt/cm.torr) 365 495,7
B (sin unidades) 1.18 1,483
Tabla 12. Comparación de los valores de los parámetros típicos y obtenidos a partir de las mediciones para la descarga glow en el aire.
Conclusiones
Las experiencias realizadas permitieron comprobar las características cualitativas enunciadas del efecto glow. Se observaron la zona de descarga glow, las curvas de evolución de tensión y corriente. A partir de la construcción de las curvas de Paschen se corroboró el modelo propuesto por el mismo comparando con experiencias previas y obteniendo valores aceptablemente cercanos a los estudiados para el caso del aire. No se pudo comprobar el efecto de histéresis en la separación de las diferentes zonas de descarga debido, probablemente, a la falta de precisión del dispositivo experimental.
CITAS Y BIBLIOGRAFÍA
[1] Descarga Glow, Laboratorio 5, Depto. de Física, FCEyN, UBA.
![Tabla I. Valores típicos para el aire extraídos de [2]. C. Comportamiento con la presión](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/5864179.151754/2.892.477.711.422.716/tabla-i-valores-típicos-aire-extraídos-comportamiento-presión.webp)
