Download capitulo 3.- descargas eléctricas en gases

Trabajo Fin de Master
Capítulo 3
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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
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(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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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:
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Figura 13.- Tensión de ignición y de ruptura para diferentes gases
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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%).
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