Una descarga de gas es un conjunto de procesos que ocurren cuando una corriente eléctrica fluye a través de los gases. Por lo general, el flujo de una corriente apreciable se vuelve posible solo después de una ionización suficiente del gas y la formación de un plasma .
La ionización puede ocurrir, en particular, como resultado de colisiones de electrones , acelerados en un campo eléctrico , con átomos o moléculas de un gas. En este caso, se produce una multiplicación por avalancha del número de partículas cargadas, ya que en el proceso de ionización por impacto se forman nuevos electrones que, después de la aceleración, también comienzan a participar en colisiones con los átomos, provocando su ionización.
Otra posible causa de la ionización del gas puede ser un campo eléctrico alto (descarga por chispa) o una temperatura alta (descarga por arco). Para la aparición y el mantenimiento de una descarga de gas estable, se requiere un campo eléctrico , ya que existe un plasma frío si los electrones adquieren energía en un campo externo suficiente para ionizar los átomos, y el número de iones recién formados excede el número de iones recombinados .
Si es necesaria una ionización adicional para que exista una descarga de gas debido a fuentes externas (por ejemplo, usando radiación ionizante ), entonces la descarga de gas se denomina no autosostenible (estas descargas se usan en contadores Geiger ).
Para la implementación de la descarga de gas, se utilizan tanto un campo eléctrico constante en el tiempo como uno alterno.
Cuando un gas se descarga, surge un viento eléctrico, es decir, el movimiento de gas causado por el arrastre de moléculas de gas por iones. La forma más fácil de detectar el viento eléctrico cuando se descarga desde la punta en el aire a presión normal [1] . Este viento puede provocar la desviación de una tira de papel, la llama de una vela, una voluta de humo, etc.
Tanto como:
Las descargas se pueden dividir en independientes y no independientes.
Una descarga no autosostenida es una descarga que necesita un ionizador externo.
Autodescarga: una descarga que no requiere un ionizador externo.
La clasificación de las descargas de gas se basa en dos características: el estado del gas ionizado y el rango de frecuencia del campo aplicado.
Según el primer signo, distinguen:
Por frecuencia de campo:
| rango de frecuencia
campo aplicado |
Estado del gas ionizado | ||
|---|---|---|---|
| Desglose | Plasma de no equilibrio | plasma de equilibrio | |
| Campo eléctrico constante y de baja frecuencia. | Encendido de una descarga luminiscente en un tubo. | Columna de brillo positivo | Columna de arco positivo de alta presión |
| AF | Ignición de una descarga de RF en recipientes con un gas enrarecido | Descarga capacitiva de RF en un gas enrarecido | Antorcha de plasma de inducción |
| microondas | Avería en guías de ondas y resonadores | Descargas de microondas en gases enrarecidos | soplete de plasma de microondas |
| Rango óptico | Desglose de gases por radiación láser | La etapa final de la descomposición óptica. | Descarga óptica continua |
Las descargas también se pueden clasificar según los mecanismos de pérdida de energía:
A bajas presiones (1 - 10 Torr) y una gran resistencia eléctrica del circuito externo, que no permite que fluya una gran corriente, se enciende una descarga luminiscente . Se caracteriza por pequeñas corrientes (10 -6 - 10 -1 A en tubos de 1 cm de radio) y tensiones importantes (100 - 1000 V). La temperatura de los electrones es de aproximadamente 1 - 10 eV, la temperatura de los iones es ligeramente superior a la temperatura ambiente (300 K), es decir, el plasma está termodinámicamente fuera de equilibrio.
A una presión del orden de la atmosférica y baja resistencia del circuito externo, suele encenderse una descarga de arco . Se caracteriza por grandes corrientes (>1 A), bajos voltajes (decenas de voltios). Las temperaturas de los electrones y los iones son aproximadamente iguales a 1 - 10 eV, es decir, el plasma está en equilibrio termodinámico.
A presiones del orden de la atmosférica, la distancia entre los electrodos >10 cm y grandes campos aplicados, se produce una descarga de chispa . La ruptura en este caso se lleva a cabo por el rápido crecimiento del canal de plasma de un electrodo a otro, seguido por el cierre del circuito por un canal de chispa fuertemente ionizado. Un ejemplo es el relámpago .
En campos altamente heterogéneos, insuficientes para romper todo el espacio, se produce una descarga de corona . La corona luminosa aparece en las puntas, donde la densidad de campo es mayor.
Las descargas de gas en algunos gases provocan la emisión de luz visible, cuyo espectro depende del gas utilizado.
| Gas | Color | notas |
|---|---|---|
| Helio | Blanco-naranja; bajo algunas condiciones puede tener un tinte gris, azul verdoso o azul | Utilizado por artistas para iluminación especial. |
| Neón | naranja roja | Resplandor brillante. A menudo se utiliza en carteles publicitarios de neón y lámparas de neón. |
| Argón | azul violeta | A menudo se usa junto con la descarga de vapor de mercurio |
| Criptón | Grisáceo opaco blanquecino. Puede ser verdoso. En descargas de alto voltaje, blanco azulado brillante. | Utilizado por artistas para iluminación especial. |
| Xenón | Blanco grisáceo o gris azulado opaco, en descargas de alta tensión a altas corrientes de pico, verde azulado muy brillante. | Utilizado en linternas de xenón , lámparas indicadoras, lámparas de arco de xenón y por artistas para iluminación especial. |
| Radón | Color azul [3] . | No se puede utilizar debido a la falta de isótopos estables. |
| Nitrógeno | Similar al argón, más tenue, con un toque de rosa. En descargas de alto voltaje, blanco azulado brillante, más blanco que el argón. | |
| Oxígeno | Púrpura violeta pálido, más tenue que el argón. | |
| Hidrógeno | Lavanda en descargas de baja tensión, rojo rosado en descargas superiores a 10 miliamperios. | |
| vapor de agua | Similar al hidrógeno. Resplandor menos brillante | |
| dioxido de nitrogeno | Blanco azulado débil, más brillante que el xenón en descargas de bajo voltaje. | |
| vapor de mercurio | Azul claro con intensa radiación ultravioleta | En combinación con fósforos , se utiliza para producir luz de diferentes colores. Ampliamente utilizado en lámparas de descarga de mercurio |
| vapor de sodio | Amarillo brillante | Ampliamente utilizado en farolas de descarga de gas de sodio |
Helio
Neón
Argón
Criptón
Xenón
El problema de la simulación por computadora de los procesos que ocurren en una descarga de gas no se ha resuelto por completo. Solo hay métodos aproximados para resolver este problema. Uno de ellos es la aproximación de Fokker-Planck .
| Dispositivos de descarga de gas | ||
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| diodos zener | ||
| Lámparas de conmutación | ||
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