Descarga de streamer

Una descarga continua , también conocida como descarga filamentosa , es un tipo de descarga eléctrica transitoria que se forma en la superficie de un electrodo conductor que lleva un alto voltaje en un medio aislante como el aire. Las serpentinas son chispas ramificadas, retorcidas y luminosas, canales de plasma compuestos de moléculas de aire ionizado , que salen repetidamente del electrodo al aire.

Streamer se descarga en el aire desde el terminal de alto voltaje de una gran bobina Tesla . Las serpentinas se forman al final de una varilla puntiaguda que se proyecta desde la terminal. El alto campo eléctrico en el extremo puntiagudo hace que el aire se ionice allí.
Videoclip de serpentinas de una bobina Tesla. La repulsión electrostática de iones, la recombinación iónica y las corrientes de convección de aire debido al calentamiento tienden a romper las regiones ionizadas, por lo que las serpentinas tienen una vida útil corta.

Al igual que las descargas de corona y descargas de cepillo relacionadas , una descarga de serpentina representa una región alrededor de un conductor de alto voltaje donde el aire ha sufrido una falla eléctrica y se ha vuelto conductor ( ionizado ), por lo que la carga eléctrica se escapa del electrodo al aire. Ocurre cuando el campo eléctrico en la superficie de un conductor excede la rigidez dieléctrica del aire, alrededor de 30 kilovoltios por centímetro. Cuando el campo eléctrico creado por el voltaje aplicado alcanza este umbral, los electrones acelerados golpean las moléculas de aire con suficiente energía para expulsar a otros electrones, ionizándolos , y los electrones liberados continúan golpeando más moléculas en una reacción en cadena. Estas avalanchas de electrones (descargas de Townsend) crean regiones ionizadas y eléctricamente conductoras en el aire cerca del electrodo. La carga espacial creada por las avalanchas de electrones da lugar a un campo eléctrico adicional, lo que hace que la región ionizada crezca en sus extremos, formando una descarga en forma de dedo llamada serpentina .

Los streamers son transitorios (existen solo por un corto tiempo) y filamentosos, lo que los hace diferentes de las descargas de corona . Se utilizan en aplicaciones como la producción de ozono, la purificación del aire o la medicina del plasma. Si una serpentina alcanza el conductor de polaridad opuesta, crea una ruta conductora ionizada a través de la cual puede fluir una gran corriente, liberando una gran cantidad de calor, lo que da como resultado un arco eléctrico ; este es el proceso a través del cual los líderes de relámpagos crean un camino para los relámpagos. Las serpentinas también se pueden observar como sprites en la atmósfera superior. Debido a la baja presión, los sprites son mucho más grandes que las serpentinas a presión sobre el suelo, consulte las leyes de similitud a continuación.

Bobina de Tesla grande que produce arcos de serpentina de 3,5 metros (10 pies), lo que indica un potencial de millones de voltios.
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Simulación de una descarga de serpentina positiva. Se muestran de izquierda a derecha: el campo eléctrico, la densidad de electrones, la densidad de carga y la emisión de luz.
Esta vez, la exposición de serpentinas de una bobina Tesla en una caja de vidrio muestra su naturaleza filamentosa.

La teoría de las descargas streamer fue precedida por John Sealy Townsend 's teoría de descarga [1] desde alrededor de 1900. Sin embargo, se hizo evidente que esta teoría a veces era incompatible con las observaciones. Esto fue especialmente cierto para las descargas que fueron más largas o con una presión más alta. En 1939, Loeb [2] [3] y Raether [4] describieron de forma independiente un nuevo tipo de descarga, basándose en sus observaciones experimentales. Poco después, en 1940, Meek presentó la teoría de la descarga de chispas , [5] que explicaba cuantitativamente la formación de un streamer autopropagado. Esta nueva teoría de las descargas espantapájaros explicó con éxito las observaciones experimentales.

Las serpentinas se utilizan en aplicaciones como la generación de ozono, la purificación del aire y la combustión asistida por plasma. Una propiedad importante es que el plasma que generan está fuertemente desequilibrado: los electrones tienen energías mucho más altas que los iones. Por lo tanto, las reacciones químicas pueden desencadenarse en un gas sin calentarlo. Esto es importante para la medicina de plasma, donde las "balas de plasma", o serpentinas guiadas, [6] pueden usarse para el tratamiento de heridas, [7] aunque esto todavía es experimental.

Las serpentinas pueden surgir cuando se aplica un fuerte campo eléctrico a un material aislante, generalmente un gas. Las serpentinas solo pueden formarse en áreas donde el campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica (campo de ruptura, campo disruptivo) del medio. Para aire a presión atmosférica, esto es aproximadamente 30 kV por centímetro. El campo eléctrico acelera los pocos electrones e iones que siempre están presentes en el aire, debido a procesos naturales como los rayos cósmicos , la desintegración radiactiva o la fotoionización . Los iones son mucho más pesados, por lo que se mueven muy lentamente en comparación con los electrones. A medida que los electrones se mueven a través del medio, chocan con las moléculas o átomos neutrales. Las colisiones importantes son:

  • Colisiones elásticas , que cambian la dirección del movimiento de los electrones.
  • Excitaciones , donde la partícula neutra se excita y el electrón pierde la energía correspondiente.
  • Ionización por impacto , donde la partícula neutra se ioniza y el electrón incidente pierde la energía.
  • Apego , donde el electrón se adhiere al neutro para formar un ion negativo.

Cuando el campo eléctrico se acerca al campo de ruptura, los electrones obtienen suficiente energía entre las colisiones para ionizar los átomos de gas, expulsando un electrón del átomo. En el campo de ruptura, existe un equilibrio entre la producción de nuevos electrones (debido a la ionización por impacto) y la pérdida de electrones (debido a la unión). Por encima del campo de ruptura, el número de electrones comienza a crecer exponencialmente y se forma una avalancha de electrones ( avalancha de Townsend ).

Las avalanchas de electrones dejan iones positivos, por lo que con el tiempo se acumula más y más carga espacial . (Por supuesto, los iones se alejan en el tiempo, pero este es un proceso relativamente lento en comparación con la generación de avalanchas). Finalmente, el campo eléctrico de toda la carga espacial se vuelve comparable al campo eléctrico de fondo. En ocasiones, esto se denomina "transición de avalancha a streamer". En algunas regiones, el campo eléctrico total será más pequeño que antes, pero en otras regiones se hará más grande, lo que se denomina mejora del campo eléctrico. Las nuevas avalanchas crecen predominantemente en las regiones de campo alto, por lo que puede surgir una estructura autopropagable: una serpentina.

Serpentinas positivas y negativas

Hay serpentinas positivas y negativas. Las serpentinas negativas se propagan en contra de la dirección del campo eléctrico, es decir, en la misma dirección en la que los electrones se desplazan a la velocidad . Las serpentinas positivas se propagan en la dirección opuesta. En ambos casos, el canal de transmisión es eléctricamente neutro y está protegido por una fina capa de carga espacial. Esto conduce a un campo eléctrico mejorado al final del canal, la "cabeza" de la serpentina. Tanto las serpentinas positivas como las negativas crecen por ionización por impacto en esta región de campo alto, pero la fuente de electrones es muy diferente.

Para las serpentinas negativas, los electrones libres se aceleran desde el canal hasta la región de la cabeza. Sin embargo, para las serpentinas positivas, estos electrones libres tienen que venir de más lejos, ya que aceleran hacia el canal de las serpentinas. Por lo tanto, las serpentinas negativas crecen de una manera más difusa que las positivas. Debido a que una serpentina difusa tiene menos mejora de campo, las serpentinas negativas requieren campos eléctricos más altos que las serpentinas positivas. Por tanto, en la naturaleza y en las aplicaciones, las serpentinas positivas son mucho más comunes.

Como se señaló anteriormente, una diferencia importante también es que las serpentinas positivas necesitan una fuente de electrones libres para su propagación. En muchos casos, se cree que la fotoionización es esta fuente. [8] En mezclas de gas nitrógeno-oxígeno con altas concentraciones de oxígeno, el nitrógeno excitado emite fotones UV que posteriormente ionizan el oxígeno. [9] Sin embargo, en nitrógeno puro o en nitrógeno con pequeñas mezclas de oxígeno, el mecanismo de producción dominante de fotones es el proceso Bremsstrahlung . [10]

Leyes de similitud

La mayoría de los procesos en la descarga de un serpentín son procesos de dos cuerpos, donde un electrón choca con una molécula neutra. Un ejemplo importante es la ionización por impacto , donde un electrón ioniza una molécula neutra. Por lo tanto, la trayectoria libre media es inversamente proporcional a la densidad del número de gases . Si el campo eléctrico cambia linealmente con la densidad del número de gas, los electrones obtienen en promedio la misma energía entre colisiones. En otras palabras, si la relación entre el campo eléctrico y densidad numérica es constante, esperamos una dinámica similar. Escala de longitudes típicas como, ya que están relacionados con el camino libre medio.

Esto también motiva a la unidad Townsend , que es una unidad física del proporción.

Se ha observado que las descargas en experimentos de laboratorio emiten rayos X [11] y que las descargas de rayos emiten rayos X y destellos de rayos gamma terrestres , ráfagas de fotones con energías de hasta 40 MeV. [12] Estos fotones son producidos por electrones descontrolados , electrones que han superado la fuerza de fricción , a través del proceso de Bremsstrahlung . [13] Sin embargo, no se ha entendido completamente cómo los electrones pueden ganar energías tan altas en primer lugar, ya que chocan constantemente con las moléculas de aire y pierden energía. Una posible explicación es la aceleración de los electrones en los campos eléctricos mejorados de las puntas de las serpentinas. [14] Sin embargo, no está claro si este proceso realmente puede explicar una tasa de producción suficientemente alta. [15] Recientemente, se ha propuesto que el aire ambiente se ve perturbado en las proximidades de las descargas de las serpentinas y que esta perturbación facilita la aceleración de los electrones en el régimen de fuga [16] [17]

Las ondas de presión y choque liberadas por descargas eléctricas son capaces de perturbar el aire en su vecindad hasta en un 80%. [18] [19] Sin embargo, esto tiene consecuencias inmediatas sobre el movimiento y las propiedades de las descargas de serpentinas secundarias en aire perturbado: Dependiendo de la dirección (en relación con el campo eléctrico ambiental), las perturbaciones del aire cambian las velocidades de descarga, facilitan la ramificación o activan el inicio espontáneo de una contradescarga. [20] Simulaciones recientes han demostrado que tales perturbaciones son incluso capaces de facilitar la producción de rayos X (con energías de varias decenas de keV) a partir de las descargas de este tipo de serpentinas, que son producidas por electrones de fuga a través del proceso Bremsstrahlung . [21]

  • descarga eléctrica
  • sprite (relámpago)
  • descarga de corona
  • Descarga Townsend
  • avería por avalancha

  1. ^ Townsend, JS (1900). "La conductividad producida en gases por el movimiento de iones cargados negativamente" . Naturaleza . 62 (1606): 340–341. Código Bibliográfico : 1900Natur..62..340T . doi : 10.1038 / 062340b0 . ISSN  0028-0836 .
  2. ^ Leonard Benedict Loeb (1939). Procesos fundamentales de descarga eléctrica en gases . J. Wiley & Sons, inc . Consultado el 22 de agosto de 2012 .
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  20. ^ Köhn, C .; Chanrion, O .; Babich, LP; Neubert, T. (2018). "Propiedades de serpentina y rayos X asociados en aire perturbado" . Plasma Sour. Sci. Technol . 27 (1): 015017. Bibcode : 2018PSST ... 27a5017K . doi : 10.1088 / 1361-6595 / aaa5d8 .
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