UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA
TÉCNIC TÉCNICAS AS DE ALT ALTA TENSIÓN TENS IÓN
Yurben Dedi Quispe Huillca
Arequipa, 2017
TEOREMA DE TOWNSEND
Yurben Dedi Quispe Huillca
Trabaj !e i"#e$%i&a'i(" pre$e"%a! ') requi$i% par'ia* para *a e#a*ua'i(" !e* 'ur$
Tcnicas de Al!a Tensi"n
C+%e!ra I"&- .*&er /ea
L"ea !e I"#e$%i&a'i("
Tcnicas de Al!a Tensi"n
DEDICATORIA El presente trabajo está dedicado dedicado especialmente a nuestros padres padres quienes se esfuerzan mucho para darnos una mejor educación; a nuestro profesor quien nos transmite conocimientos que nos serán de gran utilidad para nuestro nuestro futuro y también va dedicado a todos nuestros compañeros con los cuales compartimos experiencias da a da y entre los cuales nos apoyamos para afrontar cualquier obstáculo! "racias!
"
#a ciencia cie ncia no es sino una perversión pervers ión de s misma a
menos que tenga como objetivo final el mejoramiento de la humanidad$
%i&ola 'esla! 'esla!
INDICE INDICE--------------------------------------INDICE-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------7 --------------7 INTRODUCCION-------------------------------INTRODUCCION----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 ---------------------------3 1-
4i&ra5a Car* Ra)$auer--------------------Ra)$auer-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 -----10
1-1-
E!u'a'i("---------------------------------------E!u'a'i("-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 --------------------10
1-2-
Carrera-------------------------------------------------Carrera----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 10
1-6-
I"5r)e i"%er"------------------i"%er"---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11 11
2-
4i&ra5a 8" Sea*9 T T:"$e"!----------------:"$e"!----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------12 -12
2-1-
Carrera-------------------------------------------------Carrera----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------12 12
2-2-
Obra$--------------------------------------------Obra$------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------16 ----------------------16
6-
E5e'% Ra)$auer;T Ra)$auer;T:"$e"!-----------------:"$e"!--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------16 -16
6-1-
De5i"i'i"e$--------------------------------------------De5i"i'i"e$----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1< ---------------------------------1<
6-2-
De$'rip'i("--------------------------------------------De$'rip'i("----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1< -----------------------------------1<
<-
1-6-6
<-1-
Di$rup'i(" e" &a$e$---------------------&a$e$--------------------------------------------------------------------------------------------------------1 -------------------------------------1
/e'a"i$) !e *a !e$'ar&a e" &a$--------------------&a$-------------------------------------------------------------------------------------------1 -------------------------1
<-1-1-
De$'ar&a e*='%ri'a e" &a$e$-------------------------------&a$e$-------------------------------------------------------------------------------------------------1 --------------------1
<-1-2-
C"!u''i(" e*='%ri'a e" *$ &a$e$---------------------&a$e$------------------------------------------------------------------------------------------------------1> 1>
<-1-6 <1-6--
Ge"e Ge "era' ra'i( i(" " !e avalanchas !e e*e'%r"e$------------------------e*e'%r"e$--------------------------------------------------1> -------------------------1>
<-1-<-
Se''i(" Se''i( " %ra"$#er$a* %ra"$#er$a* !e '8que '8que ?qe@-----?qe@-----------------------------------------------------------------------------------------------------------17 --17
<-1--
E'i%a'i(" !e* &a$------------------&a$------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1B ------1B
<-1->-
I"ia'i(" !e* &a$--------------------&a$-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1B -1B
<-2-
De$arr** !e *a !e$'ar&a---------------------------!e$'ar&a--------------------------------------------------------------------------------------------------------13 -------------------------------13
<-6-
)e'a"i$) !e !i$rup'i(" T T:"$e"!-----------------:"$e"!--------------------------------------------------------------------------------------13 -----------------------13
<-6-1<-61-
Tera !e !e T:"$e"! T:"$e"! para para !e$'ar&a$ !e$'ar&a$ e*='%ri'a$ e*='%ri'a$ e" &a$e$---&a$e$-------------------------------------------20 ---20
<-6-2-
C*a$i5i'a'i(" !e !e$'ar&a$ e*='%ri'a$ e" &a$e$--------------------&a$e$----------------------------------------------22 -------------------------22
<-<-
Cri%eri !e !i$rup'i("-----------------!i$rup'i("------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 ---------2
<-<-1-
Ai$*a"%e$ &a$e$$---------------------&a$e$$-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2> ---------------------2>
<-<-2-
C"!u'%re$ &a$e$$----------------------&a$e$$------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2>
<-<-6-
Pr'e$$ Pr'e$ $ 5$i'$ 5u"!a)e" 5u"!a)e"%a*e$ %a*e$ e" *a i"ia'i i"ia'i(" (" 9 rup%ur rup%uraa !e !e &a$e$-----------2> &a$e$-----------2>
<-<-6-1<-<6-1-
Pr'e$$$ !e Pr'e$ !e i"ia'i i"ia'i(" (" 9 !e !e e)i$i(" e)i$i(" !e e*e'%r" e*e'%r"e$ e$ e" *$ e*e'%r e*e'%r!$-------27 !$-------27
<-<-6-2-
Pr'e$ !e i"ia'i("----------------------i"ia'i("------------------------------------------------------------------------------------------------------2B ----------------------------------2B
<-<-6-6<-<6-6-
Pr'e$ !e i"ia'i( i"ia'i(" " !e* +%) !e u" &a$-&a$------------------------------------------------------------------------------2B -------2B
<-<-6-<<-<6-<-
Pr'e$$$ !e e)i$i( Pr'e$ e)i$i(" " !e e*e'%r" e*e'%r"e$ e$ e" *$ e*e'%r! e*e'%r!$--$---------------------------------------------------------23 -23
a@ E)i$i(" %er)i("i'a----------------%er )i("i'a------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 60 b@ E)i$i(" 5%e*='%ri'a------------------------------------------5%e*='%ri'a------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 60 '@ E)i$i(" pr i)pa'% !e i"e$ p$i%i#$ +%)$ e'i%a!$----------------------------------60 !@ E)i$i(" pr e5e'% !e 'a)p---------------------------------------------------------'a)p----------------------------------------------------------------------------------60 ------------------------60 <-<-6-<-<6--
/e'a"i$) /e'a" i$) !e rup%ur rup%ura a T:"$e"! T:"$e"!--------------------------------------------------------------------------------------------------------60 -------60
<-<-6->-
E*e'%r"e&a%i#i!a!-------------------------------------------E*e'%r"e&a%i#i!a!----------------------------------------------------------------------------------------------------------66 ------------------66
CONCLUSIONES----------------------------CONCLUSIONES------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6> -----6> 4I4LIOGRAIA--------------------------------4I4LIOGRAIA----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6> --------------------------6>
>
INTRODUCCIÓN Los Los altos altos voltaj voltajes, es, en genera general, l, están están formad formados os en una estruc estructur tura a sim similar a bajos voltajes, con los cuales el estu studiante está familiariado, esto !or medio de transformadores "C#A#$# Los circuitos construidos en el laboratorio % su funcionamiento se !uede decir son netamente netamente didácticos, didácticos, &ue el estudiante estudiante no desconoce desconoce totalmente totalmente la t'cnica a tratarse !osteriormente# (e con conside sidera ra inst instal alac aci) i)n n de alt alto volt voltaj aje e a&ue a&uell lla a &ue gener enere, e, trans! trans!ort orte, e, transf transfor orme, me, distri distribu% bu%a a o utilic utilice e energ energ*a *a el'ctri el'ctrica ca con tensiones su!eriores a los siguientes l*mites+ Corriente alterna+ (u!erior a --- voltios# Corriente continua+ (u!erior a .-- voltios# /ara ara tran rans!or s!orta tarr la ener energ* g*a a el'c el'ctr tric ica a a grand rande es dist istanci ancias as,, minimiando las !'rdidas % ma0imiando la !otencia trans!ortada, es necesario elevar la tensi)n de trans!orte# 1n aumento de tensi)n, signi2ca una disminuci)n de la intensidad &ue circula !or la l*nea, !ara trans!ortar la misma !otencia, % !or tant tanto, o, las las !'rd !'rdid idas as !or !or cale calent ntam amie ient nto o de los los cond conduc ucto tore ress % !or !or efectos electromagn'ticos# A ma%or tensi)n, menor intensidad en consecuencia, menor !'rdida energ'tica, lo cual es mu% im!ortante si se toma en consideraci)n el hech hecho o de &ue &ue las las l*ne l*neas as de alto alto volt voltaj aje e suel suelen en recor ecorrrer lar largas gas distancias# Además, una ma%or intensidad re&uiere de conductores de ma%or secci)n, % en consecuencia, con un ma%or !eso !or unidad de longitud# (e argumenta &ue la l*neas de alta tensi)n afectan el medio ambiente % a la gente &ue vive cerca de las l*neas de transmisi)n, !or la radiaci)n emitida# /or otro lado, dicha contaminaci)n electr electroma omagn' gn'tic tica a !ermit !ermite e el ahorr ahorro o econ)m econ)mico ico a las em!re em!resas sas u organismos de distribuci)n el'ctrica, de trans!ortar la !otencia a un voltaje elevado#
7
# 3IO4R 3IO4RA56A A56A CARL RA7(A1ER Carl Carl 8ilh 8ilhel elm m Rams Ramsau auer er "9 de febr febrer ero o de :;< :;< en Oste Ostern rnbu burg rg,, Oldenburg , Oldenburg , Alemania = >? de diciembre de <.. en 3erl*n , 3erl*n , Alemania Alemania $ $ fue un !rofesor internacionalmente notable de la f*si f*sica ca % la inve invest stig igac aci) i)n n f*sico , fam famoso oso !or el desc descub ubri rimi mien ento to del efecto Ramsauer= Ramsauer=T To@nsen o@nsend d # 5ue !ione ionerro en el cam cam!o de las las colisiones de electrones % !rotones con mol'culas de gas# ##ED1CACIB
De :<; a <-;, Ramsauer estudi) en la 7nich , 7nich , T Tubinga ubinga , , 3erl*n 3erl*n , , iel iel , , Londres Londres , , % 3reslau 3reslau 1niversidades# 1niversidades# 5ue 5ue galardonado con el doctorado en iel# #>#CARRERA
De <-; <-; a <-< <-<,, Ramsa amsaue uerr era era a%ud a%udan ante te de cáte cátedr dra a de /hili!! Lenard en Lenard en el de!artamento de f*sica de la 1niversidad Ru!recht arl de eidelberg # eidelberg # 5ue a&u* &ue 'l llev) a cabo la investigaci)n sobre el efecto cuántico de la trans!arencia de los gases nobles !ara nobles !ara frenar los electrones, conocido como el efecto Ramsauer Ramsauer==To@nsend o@nsend # # /oste osteri rior orme ment nte, e, fue fue un cien cient* t*2c 2co o del del Inst Instit itut uto o Radio adiol) l)gi gico co en eidelberg# Durante la /rimera 4uerra 7undial , 7undial , se desem!eF) como o2cial de artiller*a# A !artir de <>, fue !rofesor en la ordinarius DanigTechnische Hochschule # De <>: <>: a . . fue fue dir directo ectorr de la divi divisi si)n )n de inve invest stig igac aci) i)n n de la Allgemeine " AE4 $, combinan una Elektrizitäts-Gesellschaft " el'ctrica el'ctrica con sede en 3erl*n 3erl*n % % 5ranGfurt del 7eno # 7eno # Durante el !er*odo
Desde
A !rinci!ios de >, como !residente de la D/4, Ramsauer, con el a!o% a!o%o o de Lud Lud@ig @ig /ran /randtl dtl , !res !resen ent) t) una una !eti !etici ci)n )n al 7i 7ini nist stro ro del del Reich 3ernhard Rust , en e lReichseriehungsministerium Reichseriehungsministerium "7inisterio "7inisterio de Educaci)n del Reich$# La !etici)n, una carta % seis ane0os, Carta a 3ernhard Rust, Rust, >- de enero de ># Documento Bo# <- en entschel, <<9, !!# >;:=>:#
3
Ane0o I+ Ame Americana de 5*sic sica su!era 5*sic sica alemana# Documentar Bo# < en entschel, <<9, !!# >:=>:?# Ane0o II+ /ublicaciones Contra 5*sica Te)rica Te)rica 7oderno# Citado en entschel, <<9, !# >;<, !ero omitidas en la antolog*a# Ane0o III+ la im!ortancia crucial de 5*sica Te)rica % 5*sica Te)rica /articularmente 7oderno# Citado en entschel, <<9, !# >:-, !ero omitidas en la antolog*a# Ane0o IJ+ Denuncias Refutando &ue la f*sica te)rica moderna es un !roducto del es!*ritu jud*o# Documentar <> en entschel, <<9, !!# ><-=><># Ane0o J+ E0tracto de un archivo adjunto a Lud@ig /randtl carta /randtl carta al 7ari 7arisca scall del del Reich eich ermann 4Kring , 4Kring , >: de Abril de # Citado en entschel, <<9, >:- v'ase el documento Bo# :. en entschel, <<9, !!# >9= >99# Ane Ane0o JI+ JI+ El 7uni 7unich ch Conc Concil ilia iaci ci)n )n % /aci2 aci2ca caci ci)n )n inte intent nto o# Documento Bo# <- =# ><># abord) el estado atro de instrucci)n f*sica en Alemania, &ue Ramsauer conclu%) fue el resultado de la !olitiaci)n de la educaci)n#
Ramsauer
fue
editor
de
las
revistas Zeitschrift für Physik technische % Phys Physik ik en rege regelm lmäs ässi sige gen n beri berich chte ten n El e0 revista, fundada en <<, se dirige a los f*sicos e ingenieros industriales, % &ue era una !ublicaci)n de la (ociedad Alemana de 5*sica T'cnica "Deutsche 4esellschaft fr Technische /h%siG$# Esta ltima revista, Technische fundada en
Lo
siguiente
fue
!ublicado
en !ern"hysikalische #orschungsberichte $%nformes #orschungsberichte $%nformes &e %n'estigaci(n en #)sica *uclear+, una !ubl !ublic icac aci) i)n n inte interrna del del alem alemán án ran'erein # Informes en esta !ublicaci)n !ublicaci)n fueron fueron clasi2cados clasi2cados To! (ecret, (ecret, ten*an ten*an una distribuci) distribuci)n n mu% limitada, % los autores no se les !ermitieron mantener co!ias# Los Los info inform rmes es fuer fueron on con2 con2sc scad ados os bajo bajo el Allie Allied d O!e O!erac raci)n i)n Also Alsoss % enviadas a la Comisi si) )n de Energ* g*a a At)mi micca de los Est sta ados 1nidos !ara su evaluaci)n# En <;, los informes fueron desc descla lasi si2c 2cad ado os % regr egresar esaron on a Alem Aleman ania ia## Los info inforrmes mes están stán dis! dis!on onib ible less en el Cen Centr tro o de Inv Invest estiga igaci) ci)n n Buc Buclea learr de a arlsr rlsruhe uhe % % el Instituto Americano de 5*sica # 5*sica #
># 3IO4R 3IO4RA56A A56A MOB (EAL (EALN N TO8B(EBD Mohn (eal% Ed@ard To@nsend, 5R( 5R( "; junio :9: hasta 9 febrero <.; <.;$$ fue fue un f*sico matem matemático ático &ue reali reali) ) varios varios estudi estudios os sobre sobre la conducci) i)n n el'c 'cttrica de los gases "en relaci)n con los cin'tica cin'tica de de lo loss el elec ectr tron ones es % % lo loss io ione ness $ % directa ctamente mide la car carga ga el' el'ctr ctrica ica # l era un !rof !rofesor esor 8%G 8%Geham eham de f*si f*sicca en la 1niversidad de O0ford # O0ford # El fen)meno de la avalancha de electrones fue descubierto !or 'l, % es conocida como la descarga de To@nsend # To@nsend # >##CARRERA
Baci Baci) ) en 4al@a% 4al@a% , , Co Cond ndad ado o de 4a 4al@ l@a% a% , , Irlanda , hijo de Ed@ar @ard To@nsend, To@nsend, un !rofesor de Ingenier*a Civil de la reina de la universidad, de 4al@a% # 4al@a% # En ::., ingres) en el Trinit% College de
10
Dubl*n % lleg) !rimero de la clase en matemáticas con un 3A en :<-# Dubl*n % (e convirti) en un ClerG 7a0@ell Acad'mico % entr) en el Trinit% Colleg Col lege e de Cam Cambri bridge dge , dond donde e se conv convir irti ti) ) en un estu estudi dian ante te de investigaci)n al mismo tiem!o &ue Er Erne nest st Rut uthe herfo rford rd # # En el labor laboratorio atorio Caven Cavendish dish , estud studi) i) con con MM Thomson # l desa desarr rrol oll) l) la .teor)a &e la colisi(n &e To/nsen&. To@nsend o@nsend suministra suministra im!orta rtante labor a la conductividad el'ctric rica de los gases ses "P T "P To@nsend o@nsend descarga descarga Pcirca Pcirca :<;$# Este trabajo determina la carga el'ctrica elemental con elemental con el m'todo de la gota# Este m'todo se mejor) más tarde !or Robert Andre@s 7illiGan # 7illiGan # En <--, se convirti) en un !rofesor 8%Geham de 8%Geham de 5*sica en O0ford O0ford # # En <-, descubri) la ioniaci)n de las mol'culas !or im!acto de iones % la de!endencia del camino libre medio de los electrones "en electrones "en invernadero$ de la energ*a "% sus estudios inde!endientes sobre las colisiones entre átomos % electrones de baja energ*a en la d'cada de <>- ser*a más tarde llamado el efecto Ramsauer= Ramsauer=T To@nse o@nsend nd $# $# El de juni junio o de <-H <-H,, fue fue eleg elegid ido o miem miembr bro o 5ello@ de la Ro%al (ociet% "5R( "5R($# $# 5ue gala galarrdona donado do con con la 7ed 7edall alla a ug ughes hes en <? <?## Durante la /rimera 4uerra 7undial , 'l investig), en 8ool@ich 8ool@ich , , inalámbricas inalámbricas m'todos m'todos !ara la Ro%al Baval Air (ervice # (ervice # To@nsend To@nsend fue un demostrador de laboratorio cuando 3rebis 3leane% era 3leane% era estudiante# 3leane% relata una ocasi)n en &ue To@nsend reuni euni) ) a todo todoss los los mani manife fest stan ante tess % !roc !roced edi) i) a refut efutar ar tant tanto o la mecánica cuántica % la relatividad# Entre las dos guerras mundiales, To@nsend llev) un !e&ueFo gru!o de investigadores e2cientes, a menudo los estudiosos Rodas , Rodas , de los cuales algunos se convirtieron en distinguidos f*sicos# (in embargo, !or la d'cada de
5ue visto como !rofesor aburrido, un su!ervisor dogmático, % fuera de contacto con el am!lio mundo de la f*sica# Como la d'cada de
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A 2nes de #>#O3RA(
La Teor*a Teor*a de la ioniaci)n de los gases !or colisi)n "<-$
7ovimiento de los electrones en gases "<>.$
Electricidad % Transmisi)n "
Ondas Electromagn'ticas "<.
H# E5ECTO RA7(A1ER= RA7(A1ER=TO8B(EBD El efecto efecto Ramsa Ramsauer uer==To@nsen o@nsend, d, tambi' tambi'n n llamad llamado o a veces veces el efecto efecto Ramsauer o el efecto To@nsend, es un fen)meno f*sico &ue im!lica la dis!ersi)n de baja baja ener energ* g*a a electrones electrones !or !or átomos átomos de de un gas noble # noble # Desde su e0!licaci)n re&uiere la teor*a ondu ondulatori latoria a de la mec mecáni ánica ca cuántica , cuántica , se demuestra la necesidad de &ue las teor*as f*sicas más so2sticadas &ue las de la f*sica ne@toniana # ne@toniana #
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H##DE5IBICIOBE(
Cuando un electr)n se mueve a trav's de un gas, sus interacciones con con los los átomo omos de gas causa ausan n la dis! dis!er ersi si) )n de ocur currir rir# Estas stas interacciones se clasi2can como inel0stica si causan e0citaci)n o e0citaci)n o ioniaci)n ioniaci)n del del átomo &ue se !roduca % el0stica si no lo hacen# La "robabili&a& &e la &is"ersi(n en un sistema de este ti!o se de2ne como el nmero de electrones dis!ersados, !or unidad de corriente de electrones, !or unidad de longitud de la tra%ectoria, !or !resi)n de la unidad a - Q C, !or unidad de ángu ángulo lo s)lid s)lido o # El n1me n1mero ro &e iguall al nmer mero o tota totall de elec electr tron ones es dis! dis!er ersa sad dos colisiones es igua elás elásti tica came ment nte e % de mane manera ra inel inelás ásti tica ca en todo todoss los los ángu ángulo los, s, % la "robabili&a& &e colisi(n es el nmero total de colisiones, !or unidad de corriente de electrones, !or unidad de longitud de la tra%ectoria, !or !resi)n de la unidad a - Q C# Debido a &ue los átomos de gases nobles tienen un relativamente alto !r !rim imer era a en ener erg* g*a a de io ioni nia aci ci)n )n % los electro trones no tienen su2c su2cie ient nte e ener energ* g*a a !ara !ara caus causar ar elec electr tr)n )nic ico o e0ci e0cita tado do est estados ados,, ioniaci)n % e0citaci)n del átomo es !oco !robable, % la !robabilidad de dis!ersi)n elástica sobre todos los ángulos es a!ro0imadamente igual a la !robabilidad de colisi)n# colis i)n# H#>#DE(CRI/CIB
El efecto es el nombre de Carl Ramsauer ":;<=<..$ Ramsauer ":;<=<..$ % Mohn % Mohn (eal% To@nsend T o@nsend ":9:=<.;$, ":9:=<.;$, &ue cada estudiados de forma inde!endiente las colisiones entre átomos % electrones de baja energ*a en la d'cada de <>-# (i uno trata de !redecir la !robabilidad de colisi)n con un modelo clás clásic ico o &ue &ue trat trata a el elec electr tr)n )n % el átom átomo o como como esfe esfera rass dura duras, s, se encuentra &ue la !robabilidad de colisi)n deber*a disminuir$# Este es el efecto Ramsauer=T Ramsauer=To@nsend# o@nse nd# a% a% una una buen buena a e0!li 0!lica caci ci)n )n !ara !ara el fen) fen)me meno no e0ist 0ist*a *a hast hasta a la introducci)n de la mecánica cuántica, &ue e0!lica &ue los resultados de los efectos de las !ro!iedades ondulatorias de los electrones# 1n modelo sim!le de la colisi)n &ue hace uso de la teor*a de onda !uede !redecir la e0istencia del m*nimo Ramsauer=To@nsend# 3ohm !resenta uno de estos modelos &ue considera el átomo como un cuadrado 2nito !oo de !otencial # !otencial #
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La !redicci)n de la teor*a de la energ*a cin'tica &ue !roducirá un m*ni m*nimo mo Rams Ramsau auer er==To@ns o@nsen end d es bast bastan ante te com! com!li lica cado do %a &ue &ue el !roblema im!lica la com!rensi)n de la naturalea ondulatoria de las !art*c t*culas# (in embarg argo, el !roble blema ha sid sido am!liamente inve invest stig igad ado o tant tanto o e0!e e0!erim rimen enta tall como como te)r te)ric ica a % se enti entien ende de bien bien "v'ase Mohnson % 4uet$#
?# DI(R DI(R1/CI 1/CIB B EB 4A(E( ?##7ECABI(7O DE LA DE(CAR4A EB 4A(
En el estudio de descargas en gases ha% &ue considerar dos ti!os generales generales de descargas, descargas, auto=sosten auto=sostenidas idas % no auto= sostenidas sostenidas o inducidas# inducidas# El mecanismo mecanismo de la disru!ci)n, disru!ci)n, !erforaci)n, ru!tura o chis!a el'ctrica en un gas, es una transici)n desde una descarga inducida a un auto sostenida# sbita, ita, es una La chis!a usualmente ocurre en forma sb caracter*stica de la descarga &ue el voltaje a trav's del es!acio entre electrodos electrodos descienda, debido a un !roceso &ue !roduce !roduce una alta conductividad entre cátodo % ánodo# 1no de los !roblemas de la f*sica &ue trata de la descarga el'c el'ctr tric ica a en gase gases, s, es e0!l e0!lic icar ar c)mo c)mo se orig origin ina a est esta alta alta cond conduct uctivi ivida dad, d, !or !or medi medio o de fen) fen)me meno noss fund fundam amen enta tale les, s, at)micos % de ioniaci)n !or im!acto, as* como el efecto de la su!er2cie su!er2cie de los electrodo electrodos# s# Al momento momento se conocen conocen dos mecanismos t*!icos de !erforaci)n de gas+
# El mecanismo mecanis mo de To@nsend o@ns end ># El mecanismo del canal Cual&uiera de estos mecanismos !uede o!erar, de!endiendo de las condiciones condiciones im!erantes# im!erantes# Los !rocesos im!ortantes im!ortantes de ioni ionia aci ci)n )n en la !erf !erfor orac aci) i)n n o ru!t ru!tur ura a el'c el'ctr tric ica a !ued !ueden en clasi2carse como+ !rocesos del gas, &ue involucran im!actos de electrones, iones % fotones, contra mol'culas del gas la 1<
!artic !artici!ac i!aci)n i)n de los elec electr trodo odoss tienen tienen lugar lugar en su su !roces !roceso o % su!erficie en sus cercan*as# ?### DE(C DE(CAR4A AR4A ELCTRICA ELCTRICA EB 4A(E(
1na descarga el'ctrica en un medio gaseoso, es un fen)meno en el &ue un gas, &ue normalmente, no conduce la electricidad, em!iea a hacerlo debido a la ioniaci)n de sus átomos, como consecuenci consecuencia a de la inuencia de una una fuente fuente energ'tica energ'tica "de calor, de radiaci)n o de un cam!o el'ctrico, &ue !rovoca una diferencia de !otencial entre los electrodos entre los &ue se sita el el gas$# La conducci)n conducci)n el'ctrica a trav's de este gas ioniado "en adelante, !lasma$ no sigue la le% de Ohm, sino &ue se rige !or los !rocesos f*sicos elementales &ue se dan entre las !art*culas cargadas "electrones, iones, átomos % mol'culas e0citadas$ trans!ortadas en el !lasma % !roducidas % absorbidas en los electrodos# De hecho, !ara !oder realmente com!render las descargas el'ctricas en gases, se deben analiar el com!ortamiento de dichas !art*culas % los !rocesos fundamentales &ue se !roducen en % entre dos onas+
•
•
Columna de !lasma, formada !or la ioniaci)n del medio gaseoso# Regi)n de los electrodos, regi)n an)dica "!r)0ima al ánodo ánodo "S$ % regi)n cat)dica !r)0ima al cátodo "=$, esta ltima, de gran im!ortancia, donde surgen los electrones, &ue junto con los iones, son las !art*culas fundamentales en los !rocesos de descarga#
?##># COBD1CCI COBD1CCIB B ELCTRICA EB LO( 4A(E( 4A(E(
Los gases normalmente normalmente no son buenos buenos conductores conductores "si lo fueran, fueran, todas las !ilas % las bater*as bater*as se descargar*an descargar*an rá!idamente al !roducirse cortocircuitos a trav's del aire$, !ero sometidos a tensiones el'ctricas mu% altas o a !resiones mu% bajas !ueden conducir la corriente el'ctrica# El ra%o es un
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ejem!lo ejem!lo e0tremo del !aso de electricidad electricidad a trav's de un gas, mientras &ue los tubos uorescentes normales o los anuncios de ne)n tambi'n constitu%en ejem!los donde se utilia el !aso de una corriente el'ctrica a trav's de un gas# ?##H#
4EBERACIB DE DE AJALABCA( DE ELECTROBE(
La ioniaci)n ioniaci)n !or im!acto im!acto de electrones electrones es !robablement !robablemente e el !roceso más im!ortante en la !erforaci)n de gases, !ero como se verá este !roceso solamente solamente no es su2ciente su2ciente !ara !roducir su ru!tura el'ctrica# (e considera un sistema de electrodos electrodos en !lacas !aralelas !aralelas en una ca!a atmosf'rica gaseosa, al insertar un cierto nmero de electrones son originados en las !lacas# Al a!licar en el cam!o el'ctrico a electrodos, estos electrones serán acelerados hacia el ánodo ganando una energ*a segn la ecuaci)n+
En donde+ e Carga del electr)n# m 7asa del electr)n# v Jelocidad del electr)n luego de correr una distancia 0# Algo de esta energ*a se !ierde !or colisiones dis!ersantes de los electrones contra mol'culas neutras del gas "cho&ues elásticos$ !ero tambi'n !ueden ocurrir cho&ues inelásticos inelásticos en los cuales los electrones !ueden e0citar las mol'culas de gas# El nuevo electr)n "!roducto de la ioniaci)n$ junto con el electr)n !rimario, re!etirá el !roceso descrito % finalmente una avalancha de electrones alcana el ánodo#
1>
?##?#
(ECCIB TRAB(JER(AL TRAB(JER(AL DE COU1E "UE$
El !roceso de im!acto im!acto o cho&ue de electrones, electrones, descrito descrito !reviamente, sigue las le%es !robabil*sticas % el nmero !osible de cho&ues es de2nido en t'rminos de estas le%es, !or medio de la llamada Vsecci)n Vsecci)n transversal transversal de cho&ueW# cho&ueW# Este !ermite calcular la !osibilidad de cho&ue &ue !uede tener una !art*cula en un medio determinado#
?##.# EX EXCITACIB CITACIB DEL 4A(
/ara energ*as menores se !resenta este fen)meno, los electrones electrones !olarian a los átomos, átomos, teni'ndose teni'ndose entonces una intera interacci cci)n )n Velect Velectr) r)n= n= di!olo di!olo induci inducido doWW % las seccion secciones es transversales "ángulos de dee0i)n$ vienen a ser de!endientes de la energ* energ*a# a# (i el electr)n electr)n se demora demora menos menos en el cam!o cam!o VdeectorW, menos será reflejado !or este cam!o "viceversa$, consecuentemente la secci)n es menor !ara electrones ele ctrones rá!idos# ?##9## IOBIYACIB ?##9 IOBIYACIB DEL 4A(
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/ara corri rrient entes de alto lto volta ltaje, se !rese esenta una !robab !robabilid ilidad ad "mensu "mensurab rable$, le$, de &ue ocurra ocurra ionia ioniaci) ci)n n de las mol'culas del gas# La secci)n transversal, en de!endencia de la energ*a tiene la forma de grá2co &ue indica a continuaci)n+
EJEMPLO DE DEPENDENCIA DE LA SECCIÓN TRAN TRANSV SVER ERSA SAL L EN LA ENERGÍA DE LOS ELECTRONES IMPACTANTES, CON PRODUCCIÓN DE IONIZACIÓN DE LAS MOLÉCULAS DE GAS, CASO DE NITRÓGENO.
?#>#
DE(ARROLLO DE LA DE(CAR4A
Al considerar el arreglo arr eglo de la graf#-, se a!lica un voltaje constante al ga!, a trav's de la resistencia # (i RC Z [ la 2
3
ca*da de voltaje J L "t$ a trav's de 3, am!liada su2cientemente % observada en un oscilosco!io, indica la corriente de los !ortadores de la avalancha#
1B
CIRCUITO EXPERIMENTAL PARA DETECTAR AVALANCHAS ÚNICAS.
El !ulso de corriente corriente !roducido !or la avalancha, avalancha, se comiena con un electr)n nico desde el cátodo, &ue está com!uesto !or dis!ositivos dis!ositivos electr)nico electr)nicos, s, esto esto seguido seguido !or !or com!onen com!onentes tes de electrones !ositivos, &ue viajan lentamente hacia el cátodo# Las ecuaciones consideran &ue una carga &ue se mueve dentro de un ga! de cam!o el'ctrico uniforme de longitud & % con una velocidad ' , !roduc !roduce e una corriente corriente en el circuit circuito, o, dando dando la siguiente ecuaci)n+ i 4 5'6& ?#H#
7ECABI(7O DE DI(R1/CIB TO8B(EBD
Efecto To@nsend, es un fen)meno f*sico &ue involucra dis! di s!e ersi) i)n n de electrones de baja energ*a !or átomos de un gas nobl e# e# Cuando un electr)n se mueve a trav's de un gas, su interacci)n con los átomos del gas genera una dis!ersi)n# Estas interacciones están clasi2cadas como inelásticas, cuando causan e0citaci)n o ioniaci)n del átomo del gas, % elásticas cuando no la causan# Debido a &ue los átomos de un gas noble tienen una energ*a de ioniaci)n relativamente alta % los electrones no tienen suficiente energ*a !ara causar niveles electr)nicos e0citados, la ioniaci)n % la e0citaci)n del átomo son !oco !oco !robab !robables les % la !robab !robabilid ilidad ad de dis!ersi dis!ersi)n )n elástica elástica sobre todo el ángulo s)lido es igual a la !robabilidad de colisi)n#
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Los e0!erimentos e0!erimentos de To@nsend To@nsend consideran, consideran, la medida de la corriente corriente !romedio de disru!ci)n disru!ci)n en ga!s forma un cam!o uniforme al a!licar voltajes estáticos# El arreglo utiliado en el graf#, en donde la lu ultravioleta al im!actar contra el cátodo libera los electrones electrones in*ciales de la descarga este mecanismo es matemático#
ARREGLO ARREGLO PARA ANÁLISIS DE LAS CORRIENTE PROMEDIO DE PRE-DISTRIBUCIÓN.
/ara /ara com!ren com!render der mejor mejor la teor*a teor*a de descar descarga ga el'ctri el'ctrica ca atmosf'rica es necesario hacer una breve introducci)n a las dos teor*as de descargas en gases ses actualmente reconocidas como teor*a de To@nsend To@nsend % la teor*a de canales# ?#H## TEO EOR R6A DE TO8B(EBD /ARA DE(CAR4A( EL ELC CT TRICA( EB 4A(E(
La investi investigaci gaci)n )n &ue se reali) reali) !ara su formula formularr su teor*a se bas) en !lanteamiento de dos coe2cientes &ue modelan tanto el com!ortamiento de mol'culas de gas, como la inuencia de los electrodos en el !roceso de descarga el'ctrica en e n gases# Los dos coe2cientes &ue modelan tanto el com!ortamiento de las mol'culas de gas, como la inuencia de los electrodos electrodos en el !roceso de la descarga el'ctrica en gases# /rimer coeficiente coeficiente de To@nsend, To@nsend, estudio el com!ortamien com!ortamiento to diel'ctrico diel'ctrico de os gases mediante mediante el análisis análisis de la variaci)n variaci)n de la corrien corriente te medida medida entre entre dos dos electr electrodo odoss !arale !aralelos los en
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funci)n funci)n de la tensi)n tensi)n a!licado, a!licado, encontrando encontrando &ue esta corriente se incrementa !ro!orcionalmente con la tensi)n, t ensi)n, hasta en valor a !artir del cual se satura# RELACION VOLTAJE CORRIENTE ANTES DE LA DESCARGA.
El valor de saturaci)n de la corriente !uede ser su!erado incrementando el voltaje, con lo cual la corriente !resentara un com!or com!ortam tamien iento to e0!one e0!onenci ncial, al, el cual cual fue e0!lica e0!licado do en t'rminos de nmeros de !ares de electrones disociados !roducidos !or un electr)n &ue se des!laa en cent*metro dentro dentro en la direcci)n direcci)n del cam!o el'ctrico# el'ctrico# A este conce!to conce!to To@nsend To@nsend le llamo el V!rimer coe2ciente de ioniaci)nW# (egundo coe2ciente de To@nsend, de acuerdo a la curva de log % vs & muestra una l*nea recta de !erdida a dada, E se mantiene constante, sin embargo, To@nsend To@nsend com!rob) &ue, a !artir de cierto valor de &, se !resenta no linealidad en la curva, tal como indica en el grá2co#
RELACION DE DISTANCIA INTERELECTRODICA
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CORRIENTE LOGARITMICA EN LA CURVA.
Esta no linealidad, To@nsend !lanteo !ara el segundo coe2cie coe2ciente nte &ue deber*a deber*a afectar afectar el com!or com!ortam tamient iento o de dicho dicho corriente# /rimero considera c onsidera la liberaci)n de electrones de cáto cátodo do !or !or la inci incide denc ncia ia de los los mism mismos os,, de acue acuerrdo con con el mecanismo anterior# anterior# Este Este segun segundo do coef coefici icien ente te es el nmer nmero o de Velec Velectr tron ones es de sucesi)n &ue son sacados !or los iones !ositivos al gol!ear con la su!er2cie metálica del electrodosW# ?#H#># CLA(I5ICACIB DE DE DE(CAR4A( ELCTRICA( EB 4A(E( 4A(E(
En el actual estado de la t'cnica, las descargas el'ctricas en gase gasess se clas clasi2c i2can an gen' gen'ric ricam amen ente te,, atend atendie iendo ndo a dos dos criterios+ 5uente de ioniaci)n % Ru!tura del gas# En fuente de ioniaci)n son el no auto=sostenidas o no es!ontaneas % auto=sostenidas o es!ontaneas#
La no auto=sostenidas o no es!ontaneas, en este ti!o de descar descarga, ga, la conduc conductiv tivida idad d el'ctri el'ctrica ca de gas mantiene fuentes e0teriores de ioniaci)n#
se
Al mismo tiem!o el efecto de una radiaci)n, !uede VarrancarW electrones de un átomo o de una mol'cula neutra, ioniando
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!or tanto, los átomos % mol'culas del gas, denominándose a este ti!o de ioniaci)n fotoioniaci)n# La auto=sostenidas auto=sostenidas o es!ontanea es!ontaneas, s, este ti!o de descarga descarga la
conductividad el'ctrica es mantenida !or su !ro!ia descarga, sin ninguna !artici!aci)n !artici!aci)n de una fuente e0terior e0terior de calor o radiaci)n# Tambi'n se dan !rocesos de termo ioniaci)n % fotoioniaci)n, !ero no origen de fuentes e0ternas si no en la radiaci)n % calor generados en la misma descarga# En la ru!tura de gas
Las descargas !arciales son descargas el'ctricas de !e&ueFa energ*a % duraci)n transitoria, en las &ue el medio gaseoso no
es
atra atrave vesa sado do
!or !or
com! com!le leto to
!or !or
la corr corrie ient nte, e, no
!roduci'ndose la ru!tura del mismo#
Las descargas el'ctricas disru!tivas son a&uellas descargas el'ctricas, el'ctricas, en las &ue la corriente corriente consigue atravesar atravesar !or com!let com!leto o el gas &ue se!ara a los electr electrodo odoss a diferen diferente te !otencial# En las descargas disru!tivas, el gas ioniado !roduce un camino &ue !ermite el !aso de la corriente de un electrodo a otro#
En la siguiente 2gura se re!resenta en forma es&uemática, de volt voltaj aje e [ corr corrie ient nte, e, cara caract cter er*s *sti tica cass de dist distin into toss ti!o ti!oss de descargas el'ctricas en gases+ CURVA VOLTAJE-CORRIENTE DE DIFERENTES DIFERENTES TIPOS DE DESCARGAS ELECTRICAS EN GASES.
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Como se a!recia en la 2g !ara tensiones !e&ueFas la corriente de la descarga se crece con la tensi)n "Yona A = 3$# Esto Esto ocurre, ocurre, hasta &ue la tensi) tensi)n n ad&uie ad&uiera ra un valor valor de saturaci)n, debido a &ue el tiem!o de transito de las cargas es menor &ue el tiem!o de creaci)n de dichas cargas# /ara las tensiones su!eriores a la de saturaci)n "C = D$, la descarga descarga se desarrolla desarrolla !or el mecanismos mecanismos de de multi!licac multi!licaci)n i)n !or avalanchas, con emisiones emisiones de electrodos electrodos !or !arte de de cátodo, cátodo, denominada denominada ona de descarga To@nsen To@nsend, d, &ue es una regi)n de descarga oscura "no !rovoca ninguna emisi)n de =: radiaci)n lum*nica$ % se dan corrientes mu% d'biles "- A$# En el !unto D, se !uede dar dos situaciones+ 3ajas !resiones "!#d$ en relaci)n de baja, !resiones atmosf'ricas "!#d$ en relaci)n relaci)n de subida % r'gimen r'gimen de descargas descargas a bajas !resiones# En el !unto D, em!iea la descarga luminiscente, &ue o!eran a bajas corrientes % la !resi)n, los electrones se emiten !or im!actos im!actos de electrones electrones con el cátodo cátodo frio# frio# La transici)n D [ 5 se genera una distribuci)n de cam!o el'ctrico elevado en el cátodo &ue mantiene constante % &ue se conserve frio, !ara &ue no genere su2ciente corriente el'ctrica# En la ona 5 = 4 la tensi)n de la descarga es constante# La intensidad se var* var*a a grac gracia iass a &ue &ue el área área tran transve sversa rsall de desca descarga rga va creciendo# En la ona D = 4, se le conoce como r'gimen de descarga luminiscente normal % la ona 4 = , ha agotado la ca!acidad de crecer en intensidad aumentando aumentando el área % comiena a re&uerir más tensi)n !ara multi!licaci)n de electrones, invadiendo la ona de cátodo# En el !unto , la corriente es tan intensa !roduciend !roduciendo o emisi)n termoi)nica termoi)nica % dando lugar a un arco,
2<
regi)n tras el !unto I# La regi)n = I, la ca*da cat)dica !ara el arco, es más !e&ueFa &ue la descarga de luminiscente D = 5# 5# •
3eg)menes &e &escarga a "resiones atmosf7ricas
/unto D se inicia una descarga denominada corona# La corona =9 es una descarga descarga de baja baja corriente corriente ""A$ a !resi !resi)n )n atmosf'rica# En el !unto se !roduce la descarga en chis!a, &ue es un r'gimen transitorio &ue se crea un canal ioniado &ue une ambos electrodos# El arco en la regi)n I = M, se denomina arco no t'rmico, !or&ue el !lasma &ue genera no es un e&uilibrio termodinámico "tem!eratu "tem!eratura ra de electrones, electrones, iones % neutros son diferentes$# diferentes$# Los Los arco arcoss más allá allá del del !unto unto M, se deno enomin mina arco arcoss t'rmic rmico os, &ue constit constitu%e u%en n un !lasma !lasma cercano cercano al e&uilib e&uilibrio rio termodinámico#
?#?#
CRITERIO DE DI(R1/CIB
En este caso no ha sido determinado matemáticamente, sino &ue &ue e0!eri e0!erime ment ntal alme ment nte e se ha determ determina inado do &ue &ue e0iste e0iste un nmero nmero !e&ueFo !e&ueFo de electrones, electrones, &ue !rovocan este segundo segundo mecanismo, el orden de la cantidad de electrones necesarios fue determinado !or el !rofesor ! rofesor Reather, se !uede ver en la graf#., graf#., !ara el caso del aire &ue ha servido como base del siguiente análisis
CANAL EN DIRECCIÓN DEL CÁTODO MEE! " CRAGGS#.
2
Teor*a de canales !ara la descarga el'ctricas en gases, esta esta teor teor*a *a surg surge e de la nece necesi sida dad d de e0!l e0!lic icar ar algu alguno noss fen) fen)me meno noss de la ru!t ru!tur ura a diel' diel'ct ctric rica, a, &ue &ue bajo bajo cier ciertas tas condiciones de !resi)n, la teor*a de To@nsend no aclara satisfa satisfacto ctoriam riament ente# e# La ru!tura ru!tura debe !roduc !roducirse irse des!u' des!u'ss del tiem!o tiem!o de transito transito del electr electr)n )n t i, o !or !or lo meno menoss en ese ese tiem!o# Los resultados e0!erimentados demostraron &ue en algunas ocasiones la ru!tura ocurr*a a un tiem!o menor a t i sin !resentarse a efectos secundarios o de emisi)n cat)dica# Es as* como Reather, 7eeG % Loeb describan el !roceso de ru!tura el'ctrica en gases mediante la teor*a de canales, dirigidos al cátodo o al ánodo# Canal dirigido al cátodo, fue desarrollado !or 7eeG % Loeb, !ara cam!o uniforme % se !uede describirse de la siguiente forma, cuando la avalancha el'ctrica crua la regi) regi)n n inter inter electrodica los !ortadores de carga negativa son absorbidos !or el ánodo, dejando un volumen de descargas !ositivos de forma c)nica# Esta regi)n de cargas !ositivas no es su2ciente !ara !roducir la descarga, !uesto &ue su densidad es mu% bajo, no obstante, en el gas se encuentran alrededor de la avalancha ?#?##
AI(LABTE( 4A(EO(O(
Los gases aislantes más utiliados en los transformadores son el aire % el nitr)geno, este ltimo a !resiones de atm)sfera# Estos Estos transf transform ormado adores res son genera generalmen lmente te de constru construcci cci)n )n sellada# El aire % otros gases tienen elevad*sima resistividad % están !rácticamente e0entos de !'rdidas diel'ctricas#
2>
El (59 "he0auoruro de aufre$ es otro gas aislante &ue se caracteria caracteria !or ser incoloro, incoloro, inodoro, inodoro, no to0ico, to0ico, &u*mica &u*mica % 2siol)g 2siol)gicam icament ente e inerte, inerte, no corrosi corrosivo vo no inama inamable ble % no contaminante# /or sus caracter*sticas diel'ctricas es ideal como medio aislante, tiene una rigide diel'ctrica mu% elevada, tanto a la frecuencia industrial como a im!ulso, gracias a su !eculiar caracter*stica de gas electronegativo# Con la ca!tura de los electrones libres la mol'cula de (59 se transforma en iones negativos !esados, % !or lo tanto !oco m)viles# La rigide diel'ctrica del (59 a la frecuencia industrial es !or lo menos dos veces % media la del aire a la !resi)n de . Gg\cm >, condici)n &ue !ermite lograr un dado nivel de aislamiento con !resiones relativamente bajas, lo cual im!lica sistemas de contenci)n sim!les % de com!leta con2abilidad# Este gas tiene menor menor ca!acidad ca!acidad de disi!aci)n de calor &ue el aceite mineral, mineral, situaci)n &ue se !uede mejorar aumentando la !resi)n del (59 en un reci!iente herm'tico# he rm'tico# ?#?#>#
COBD1CTORE( 4A(EO(O(+
En los gases la condici)n &ue im!lica el !aso de una corriente se conoce conoce como el fen)meno de descarga o Vru!turaW Vru!turaW el'ctrica del gas+ !aso de un com!ortamiento no conductor "baja corriente$ a conductor# conductor# Tienden a ad&uirir electrones % a formar )0idos ácidos, dos, !or ejem!los+ Ejem!los+ Bit Bitr)geno, cloro, Be)n "ioniados$# ?#?#H# ?#?# H# /ROCE(O( 56(ICO( 56(ICO( 51BDA7EBTALE( EB LA IOBIYACIB IOBIYACIB N R1/T1RA DE 4A(E(
Los !rinci!ales !rinci!ales !rocesos !rocesos f*sicos, &ue tienen lugar durante durante las descargas el'ctricas en gases# En concreto, se detallan los !rocesos de ioniaci)n en el gas % los !rinci!ales !rocesos de emisi)n de electrones electrones en los electrodos# electrodos# /osteriormente /osteriormente,, se detallan los mecanismos de ru!tura To@nsend % streamer, % !or ltimo Le% de /aschen, &ue !ermite calcular la tensi)n m*nima de ru!tura diel'ctrica de un gas#
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?#?#H## ?#?#H ## /ROC /ROCE(O( E(O( DE IOBI IOBIYACI YACIB B N DE E7I( E7I(IB IB DE ELECTROBE( EB LO( ELECTRODO(
En la siguien siguiente te figura, figura, se detall detallan, an, en base base a las diferente diferentess !art*culas elementales, los !rocesos más im!ortantes &ue tienen lugar en las descargas el'ctricas+
PRINCIPALES PROCESOS DURANTE UNA DESCARGA ELÉCTRICA
P$%&'(%( )' '*'&+$%'( ' A # A e ' A M# A 5 ' A # A # e A 5 'A # M 'A#eA ' AB # e A
I%/01&/2 C13+ E6&/+1&/2 E7'&+% D/(3'$(/2 D/(%&/1&/2
I%/01&/2 ' AB # e A C13+4$1 ' AB # A B R'&%;1&/2 ' A M # A R'&%;1&/2 A ' # A hv P$%&'(%( )' 7%+%'( I%/01&/2 A hv # A e F%+%/%/01&/2 A hv # A e C13+4$1 A e # A hv P$%&'(%( &% /%'( I+'$&1;% )' A B # A B D/(3'$(/2 A B # A B E6&/+1&/2 A B # A B # A R'&%;1&/2 A ' B # A R'&%;1&/2 A B # AB D/(%&/1&/2 A BC # A B R'1&&/%'( =4>;/&1(
2B
A BC # C AB
R'1&&/2
?#?# ?# ?#H# H#># ># /R /ROC OCE( E(O O DE IOBIY IOBIYA ACI CIB B
De forma gen'rica, la ioniaci)n de las mol'culas de un gas, suele suele darse darse !or !or las colis colision iones es de los electron electrones es con las mol'culas mol'culas de dicho gas, cuando cuando se mueven a trav's del mismo, !udiendo e0!resarse de forma gen'rica como# A S e= A S >e=
PROCESO DE IONIZACIÓN
?#?#H#H# ?#?#H #H# /ROC /ROCE(O E(O DE DE IOBIYA IOBIYACIB CIB DEL ]TO7 ]TO7O O DE 1B 4A( 4A(
En una una !rime !rimera ra a!ro a!ro0im 0imac aci) i)n, n, la ioni ionia aci) ci)n n de!e de!end nde e de la energ*a con la &ue los electrones chocan con la mol'cula del gas# La energ*a &ue es ca!a de ganar el electr)n al moverse a trav's del gas, viene dada !or ! or la e0!resi)n# Electr)n e#E#e# Donde e 4 Es la carga del electr)n#
E 4 Cam!o el'ctrico &ue mueve el electr)n# e 4Camino libre &ue recorre el electr)n#
El camino libre del electr)n " e$, es la distancia media &ue recorren los electrones antes antes de colisionar colisionar con otra !art*cula, el
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valor es inversamente !ro!orcional tanto a la densidad de los elementos circundantes, los &ue chocan, como al Várea de colisi)nW del electr)n % de las !art*culas con las &ue choca# (uele e0!resarse la energ*a &ue gana el electr)n# En funci)n funci)n de la !resi)n o la tem!eratura, tem!eratura, en funci)n del camino libre del electr)n# electr)n# /ara ello, !artiendo !artiendo de la ecuaci)n de estado de un gas !erfecto# ! B#G#T Donde, " 4/resi)n del gas# * 4 Densidad del gas# k 4 Constante de 3oltmann ",H:-H>^-=>H M\_$# T 4 Tem!eratura del gas#
E0!re E0!resan sando do el camino camino libre gas+
funci)n de la densidad densidad del e, en funci)n
A !artir de las ecuaciones a H, se !uede relacionar la energ*a &ue ad&uiere el electr)n con la !resi)n del gas+ gas+
Es decir, la energ*a del electr)n es inversamente !ro!orcional a la densidad delgas, ) es inversamente !ro!orcional a la !resi)n# /ara /ara &ue se !rodu !roduca ca la ionia ioniaci) ci)n n de un gas, gas, la energ*a energ*a del electr)n, electr)n, debe ser ma%or &ue la energ*a de ioniaci)n de la mol'cula del gas# ?#?#H# ?#? #H#?# ?# /RO /ROCE( CE(O( O( DE DE E7I(I E7I(IB B DE ELEC ELECTRO TROBE( BE( EB EB LO( LO( ELECTRODO(
Los !rocesos &ue !roducen el des!rendimiento de electrones de los electrodos, en es!ecial el cátodo, son mu% im!ortares !ara 60
el desarrollo desarrollo de las descargas descargas el'ctricas# Los electrones electrones abandonan los electrodos, cuando se les suministra la suficiente energ*a, siendo esta energ*a caracter*stica de cada material % !uede !uede ser sumini suministra strada da !or difere diferentes ntes medios medios,, entre entre los &ue cabe destacar+
a$ Emisi)n termoi)nica Cuando el metal del electrodo alcana una tem!eratura su!erior a .--_ .--_ , los los elect electro rone ness se muev mueven en más más rá!i rá!ida dame ment nte, e, !udiendo alcanar algu lguno la energ*a necesaria !ara abandonar el metal#
b$ Emisi)n fotoel'ctrica Los electrones electrones saltan de la su!erficie del electrodo electrodo !or el im!acto de fotones sobre la misma, cuando la energ*a de los fotones fotones incidentes es su!erior su!erior a la banda de conducci)n conducci)n del metal de los electrodos#
c$ Emisi)n !or im!acto de iones !ositivos o átomos e0citados Los electrones saltan de la su!erficie del cátodo cuando 'sta es bombardeada con iones !ositivos o átomos metales estables#
d$ Emisi)n !or efecto de cam!o (e emiten electrones desde la su!er2cie del metal, al a!licar un cam!o el'ctrico fuerte, fuerte, efecto conocido como (hottG%# El cam!o cam!o el'ctr el'ctrico ico dismin disminu%e u%e la barrera barrera de !otenci !otencial al de la su!erficie del metal, lo cual aumenta considerablemente la !robabilidad de &ue los electrones, se liberen de esta barrera !or el efecto efecto tnel# tnel# Este Este !roces !roceso o es inde!en inde!endie diente nte de la tem!eratura#
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Tanto los iones !ositivos como los fotones % los átomos meta estables contribu%en en la segunda ioniaci)n# La im!ortancia de cada cada uno uno de ello elloss de!e de!end nde e de las las cond condic icio ione ness de contorno# ?#?#H ?# ?#H#.# #.# 7E 7ECA CABI( BI(7O 7O DE R1/T1 R1/T1R RA+ TO8B( TO8B(EBD EBD
1n cam!o el'ctrico e0terno "generado !or la diferencia de !otencial entre los electrodos$ acta sobre las cargas del medio gaseoso# To@nsend descubri) la relaci)n entre la corriente &ue atraviesa los dos electrodos % la tensi)n a!licada, diferenciando tres regiones+
Curva corriente=tensi)n de una descarga el'ctrica 1na !rimera, en la &ue la corriente aumenta casi directamente a la tensi)n a!licada "debid "debido o a la formac formaci)n i)n natural natural de iones iones libres en el aire$# Cuando Cuando se alcana el valor de saturaci)n saturaci)n Io, un tramo &ue !ermanece !ermanece casi constante constante % uno en el &ue tras su!erar la tensi)n un valor J>, la corriente aumenta e0!onencialmente e0!onencialmente con ella# To@nsend e0!lic) está ltima eta!a, mediante !rocesos de ioniaci)n ioniaci)n de las mol'culas mol'culas del gas, !or colisiones colisiones de electr electrone ones, s, &ue ad&uir ad&uir*an *an su2cie su2ciente nte energ*a energ*a !ara !ara ioniar ioniar las !art*culas neutras del gas# CREACIÓN DE ELECTRONES LIBRES EN EL PROCESO DE AVALANCHA
62
(i n es el nmero de electrones a una distancia 8 del cátodo en la direcci)n del cam!o el'ctrico a!licado, en una longitud &8 , el incremento de electrones " &n$ viene dado !or+
(i se integra la anterior ecuaci)n en funci)n de la distancia, se obtiene+
) en t'rminos de corriente+
Donde+ Io, corres!onde al nmero de electrones libres inicialmente en el gas# , es el t'rmino conocido como VavalanchaW VavalanchaW % re!resenta el nmero de electrones libres !roducidos !or un electr)n, en el viaje del cátodo hasta el ánodo "`, es el conocido Vcoefici iciente de !rimera era ion ionia iaci)n de To@nse @nsen ndW % re!rese re!resent nta a el nmero nmero de electr electrone oness libres libres &ue es ca!a ca!a de !roducir !roducir un electr)n electr)n !or unidad unidad de longitud longitud de camino camino libre$# libre$# Cuando la tem!eratura del gas es constante, la variaci)n de energ*a energ*a del electr)n, electr)n, s)lo de!ende de!ende del valor E\!# El !rimer coe2ciente de ioniaci)n de To@nsend "`$, de!ende tanto de la densidad delgas o !resi)n, como de la energ*a &ue es ca!a de ganar el electr)n en las colisiones con los átomos del gas# /or lo tanto !odemos e0!resar este coe2ciente como+
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(e !uede entender el coe2ciente de !rimera ioniaci)n, como la !robabilidad de ioniaci)n !or colisi)n# To@nsend com!rob) discre!a discre!anci ncia a entre entre los valores valores de `\! % E\!, E\!, debida debida fundamenta fundamentalmente, lmente, a &ue en la ioniaci)n no s)lo !artici!an !artici!an fen)menos !or colisi)n de electrones, sino tambi'n de otro ti!o, as!ecto &ue To@nsend descu scubri), i), al seg seguir e0!erimentan e0!erimentando do % al re!resentar re!resentar el logaritmo de la corriente el'ctrica "log %$ frente a la se!araci)n entre electrodos " &$+ Jariac Jariaci)n i)n de la corrien corriente te en funci) funci)n n de la se!araci se!araci)n )n de electrodos " &$, con "E\!$ uniformes# Entonces, To@nsend detect) &ue a !artir de cierto valor de &, el crecimiento era su!erior al esti!ulado# Este alejamiento de la linealidad, !ostul) &ue era debido a un segundo mecanismo &ue afectaba a la corriente el'ctrica# Es decir, nuevos electrones estaban !artici!ando % estos electrones e0tras eran liberados !or el cátodo, !or uno o varios m'todos# Entonces, To@nsend introdujo un mecanismo de segun segundo do ioni ionia aci ci)n )n " $#
Donde, I Corriente &ue atraviesa el gas# Io Corrie Corriente nte &ue inicia inicialmen lmente te abando abandona na el cátodo cátodo## Coe2ciente de !rimera ioniaci)n de To@nsend# d Distancia de se!araci)n entre electrodos# Coe2ciente de segunda ioniaci)n de To@nsend#
Este coe2ciente se ve mu% inuenciado !or la naturalea de la su!er2cie del cátodo# El coe2ciente es !e&ueFo !ara valores de E\! !e&ueFos % aumenta al aumentar E\!# Esto es debido a &ue cuanto ma%or es E\!, habrá ma%ores nmeros de iones !osi !ositi tivo voss % foto fotone ness con con la ener energ* g*a a sufi sufici cien ente te !ara !ara libe libera rarr electrones electrones de la su!erficie su!erficie del cátodo# cátodo# To@nsen To@nsend d !or ltimo, ltimo, estableci) un umbral !ara &ue se !ueda !roducir una descarga el'ctrica+ 6<
Donde, `, re!resenta el coe2ciente de !rimera ioniaci)n de To@nsend To@nsend efectivo "t'rmino &ue resulta de restar el coe2ciente de absorci)n del gas al coe2ciente `$#
(i el nmero de !ares de iones !roducidos en el aire !or el !aso de la avalancha electr)nica, es suficientemente grande como !ara &ue los iones resultantes, !uedan, !or el bombardeo del cátodo, liberar un electr)n secundario de la su!e su!erfi rfici cie e del del mismo mismo,, &ue &ue caus cause e un nuev nuevo o !roc !roceso eso de avalancha# Este electr)n secundario, !uede !rovenir tambi'n de la fotoioniaci)n# (i esto sucede la descarga se auto=mantiene, es decir, !uede mantenerse sin el a!orte de la fuente &ue la origin)#
La descarga crece mu% rá!idamente, !or&ue el nmero de avalanchas sucesivas !roducidas es cada ve ma%or# ma%or#
La descarga no se auto=mantiene, auto=mantiene, % al eliminar eliminar la fuente, fuente, la descarga termina e0tingui'ndose#
?#?#H#9# ELECTROBE4ATIJIDAD
La electronegatividad es una medida de fuera de atracci)n &ue ejerce ejerce un átomo átomo sobre sobre los electr electrone oness de otro, otro, en un enlace enlace covalente# El !or&u' de la e0istencia de esa fuera de atracci)n hacia electrones electrones de otros otros átomos se debe a la estabilidad estabilidad &ue otorga la regla del octeto#
Disru!ci)n Disru!ci)n !or To@nsend !ara gases electronegat electronegativos ivos consi conside deran rando do !roc !roces esos os !rima !rimari rios os % secun secunda dari rios os## A &u' &u' conclusi)n se llega# 6
Rem!laando#
Des!ejando de la e0!resi)n anterior
Rem!laando tenemos lo siguiente
Dividiendo !ara el tiem!o obtenemos+
/ara &ue e0ista la descarga, !ara &ue cum!la esto el dominador debe cum!lir lo siguiente+
6>
(i se iguala la anterior e0!resi)n a cero+
Encontrando factor comn en la e0!resi)n &ue tenemos+
Rem!laando la e0!resi)n anterior con el
tenemos+
En conclusiones se debe considerar los !rocesos de disru!ci)n segn la teor*a de To@nsend, o@nsend, !ara gases electronega electronegativos, tivos, llegamos al siguiente resultado &ue indica en la e0!resi)n# En los !rocesos !rimarios, !odemos concluir &ue el nmero de electrones generados en el gas !or cada electr)n &ue sale del cátodo es casi nulo# En los los !roc !roces esos os secu secund ndar ario ioss al igua iguall &ue &ue los los !rim !rimar ario ios, s, el nmero nmero de electrones electrones generados generados en !rocesos !rocesos secundarios secundarios es igual a cero "-$# Debido a &ue los gases electronegativos son buenos aislantes#
COBCL1(IOBE(
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(e com!rob) &ue el voltaje &ue entra en el e0!losor es !ro!orcional !ro!orcional al tiem!o &ue utilia la descarga, !ara salir del mismo, %a &ue el voltaje crece el tiem!o aumenta#
El diseFo de un sistema &ue simula la descarga de gases, basado en el !rinci!io de funcionamiento de un interru!tor, se real reali) i) de acue acuerd rdo o a los los resu result ltad ados os obte obteni nido doss en la investigaci investigaci)n, )n, utiliando utiliando normas normas internacio internacionales nales de Altos Jolta oltaje jess % mater ateria iale less &ue &ue sean sean did didácti áctico cos, s, !ara ara ser ser manejarlo fácilmente % los mismos &ue !ueden ejecutar cual&uier !ráctica re&uerida
3I3LIO4RA5IA htt!+\\@@@#he!#@isc#edu\!re!ost\?-;\ramsau htt!+\\@@@ #he!#@isc#edu\!re!ost\?-;\ramsauer\ramsauer er\ramsauer#!df #!df htt!+\\f!salmon#usc#es\Di!lomas\tesinaha!ol#!df htt!+\\@@@#it#uam#m0\ne@!age\contactos\revista\:>\!dfs\efecto htt!+\\@@@#it#uam#m0\ne@!age\cont actos\revista\:>\!dfs\efecto sII#!df htt!+\\nuclear#2s#ucm#es\5BN/= C\tema9Detecccionderadiaciones#!df htt!s+\\@@@#usc#es\gir\docencia2les\dosimetria\ca!itulo?b#!df htt!+\\re!ositorio#utc#edu#ec\bitstream\>;---\:9\\T=1TC= -9;#!df htt!+\\@@@#raulbarrachina#com#ar\otr htt!+\\@@@ #raulbarrachina#com#ar\otros\colisiones\a!untes#!df os\colisiones\a!untes#!df htt!+\\@@@#uv#es\diaj\7aster5BETema#!df htt!+\\@@@#famaf htt!+\\@@@ #famaf#unc#edu#ar\trincavelli\!a!ers\A!unte#!df #unc#edu#ar\trincavelli\!a!ers\A!unte#!df htt!+\\csn#ciemat#es\7DC(B\recursos\2cherosmd\HH-->?>? >--<H-H9#!df htt!s+\\es#scribd#com\doc\>..:9-H\Ramsauer htt!s+\\es#scribd#com\doc\>..:9H\Ramsauer=4uia=7arch-9= =4uia=7arch-9= htt!+\\te0tos=es!anoles#es\ramsauerE>:-
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