UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTINFACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA TEMA: Ley de Paschen PRESENTADO POR: Eduardo David Arcaya DOCENTE: ING. HOLGER MEZA DELGADO CURSO: DOCENTE: ALUMNO: CUI: TECNICAS DE ALTA TENSION ING. HOLGER MEZA Eduardo David Arcaya 20080549 Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Contenido INTRODUCCIÓN............................................................................................... 5 1. BIOGRAFIA DE FRIEDRICH PASCHEN.............................................................6 2. LEY DE PASCHEN......................................................................................... 7 2.1.INFLUENCIA DE LA FORMA DE LOS ELECTRODOS......................................9 3. LEY DE PASCHEN PARA CALCULAR LA TENSIÓN DE RUPTURA DE GASES......11 4. CRITERIOS DE RUPTURA............................................................................ 16 5. CURVAS DE PASCHEN EN ARGÓN Y AIRE.....................................................21 6. DESCARGA GLOW EN GASES......................................................................27 6.1.Aislantes Eléctricos Gaseosos:......................................................................30 6.2.Tipos de descargas eléctricas........................................................................30 a) Descargas parciales:...............................................................................30 b) Descarga transversal:.............................................................................30 c) Mecanismo de descarga DC.....................................................................30 d) Descargas en aire (AC)...........................................................................31 e) Descarga bajo tensión de impulso..............................................................31 7. RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE................................................................31 8. RIGIDEZ SUPERFICIAL................................................................................ 33 9. CRITERIOS DE RUPTURA: LEY DE PASCHEN.................................................33 10.BIBLIOGRAFIA........................................................................................... 37 Técnicas de Alta Tensión Página 1 Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Este trabajo está dedicado a mi familia, por su apoyo, ayuda y comprensión a alcanzar todas mis metas, y Técnicas de Alta Tensión Página 2 y ser el sostén en poder dirigir mis pasos de la manera correcta. por brindarme un excelente formación para un futuro como Ingeniero Eléctrico De igual manera a mis queridos formadores en especial al Ingeniero Holger Meza por su orientación en el curso de Técnicas de Seguridad Eléctrica Técnicas de Alta Tensión Página 3 . A la Universidad Nacional de San Agustín.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa principalmente en esta etapa de mi vida en lograr ser un gran profesional. A mis padres y familiares porque me brindan su apoyo tanto moral y económico para seguir estudiando y lograr el objetivo trazado para un futuro mejor y ser orgullo para ellos y de toda la familia. Gracias AGRADECIMIENTOS Este presente trabajo agradezco: A Dios por darme la vida. Universidad Nacional de San Agustín Arequipa “Prométeme que siempre vas a recordar: Que Tú eres más valiente Técnicas de Alta Tensión Página 4 . d-distancia entre los electrodos). Técnicas de Alta Tensión Página 5 . Las descargas de alto voltaje a bajas presiones se estudiaban en los años 30-60 del siglo XX y después se encontraron casi olvidados por tener poco aplicaciones tecnológicas.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa de lo que crees. ~ A. Milne INTRODUCCIÓN La ley de Paschen define el potencial de ruptura del gas en función de la presión y de la distancia inter-electródica que se expresa mediante del parámetro pd (p – presión del gas. La curva de Paschen consiste en dos ramas que se determinan respecto a la posición del potencial mínimo de encendido de la descarga. y más inteligente de lo que piensas ”.A. En la parte de presiones bajas respecto a la presión correspondiente al dicho potencial mínimo (la rama izquierda de la curva de Paschen) el potencial de ruptura aumenta rápido con disminución de la presión alcanzando decenas y centenas de kilo-electrón-voltios. El interés a este tipo de descargas se restablece después de su adecuación a tratamiento de superficies metálicas. más fuerte de lo que pareces. la serie de líneas espectrales del hidrógeno en la zona del infrarrojo que observó él por primera vez en 1908. Mecklenburg-Schwerin. Estableció la hoy ampliamente conocida Curva de Paschen en su artículo "Über die zum Funkenübergang in Luft.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa 1. Técnicas de Alta Tensión Página 6 . 1 Paschen nació en Schwerin. después trabajó de asistente en la Universidad de Münster. En 1912 estudiando con Back el efecto Zeeman. En 1916 verificó experimentalmente las hipótesis sobre el espectro X. fue un físico alemán conocido por sus trabajos con descargas eléctricas. Wasserstoff and Kohlensäure bei verschiedenen Drücken erforderliche Potentialdifferenz". descubrió nuevos fenómenos. Fue profesor de la Universidad de Hanover en 1893 y profesor de física en la Universidad de Tubinga en 1901. De 1884 a 1888 estudió en las universidades de Berlin y Estrasburgo. deducidas por la teoría relativista del átomo. BIOGRAFIA DE FRIEDRICH PASCHEN Friedrich Paschen nació en Schwerin el 22 de enero de 1865 y murió en Potsdam el 25 de febrero de 1947. Fue presidente del Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (Instituto físico-técnico) durante el período comprendido entre 1924 y 1933 y profesor honorario de la Universidad de Berlín en 1925. También es conocido por la Serie de Paschen. gradualmente excediendo su valor original. comenzó a aumentar. La tensión necesaria para crear un arco eléctrico a través del espacio entre láminas disminuyó a un punto a medida que la presión fue reducida. U U exp p d f 1 1 Pd Pd f2 En forma más general la expresión anterior se puede plantear como: U f Pd Técnicas de Alta Tensión Página 7 . Estudio la tensión disruptiva de láminas paralelas envueltas de gas como función de la presión y la distancia entre ellas. Luego. llamada así después de que Friedrich Paschen. Él también encontró que disminuyendo el espacio entre láminas a presión normal. causaba el mismo comportamiento en la tensión de ruptura La expresión siguiente se conoce como ley de Paschen y da la tensión de ruptura en función de la presión del gas P y de la separación entre los electrodos d. LEY La Ley DE de PASCHEN Paschen. fuera el primero en establecerla en 1889.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa 2. donde p es la presión en Atmósferas y d es la distancia de sepatación en metros. Las constantes a y b dependen de la composición del gas.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Tal y como muestra la siguiente ecuación es conocida como la ecuación de la Ley de Paschen. inicialmente la tensión de ruptura disminuye con el producto Pd hasta alcanzar Técnicas de Alta Tensión Página 8 . aunque la forma de la misma varía para cada gas. a = 43. Como se puede ver. Para el aire a presión atmosférica de 760 Torr. p es la presión. Donde V es la tensión disruptiva en Voltios. La representación gráfica de la Ley de Paschen se muestra en la figura1 El gráfico de esta ecuación es la curva de Paschen. Como se puede apreciar la relación entre Pd y U no es lineal y.6x106 y b = 12.8 . y d es la distancia entre las láminas. lo que se logra aumentando la tensión. para que los electrones alcancen la energía necesaria para ionizar el gas hay que entregarles más energía. Esta es la razón por la cual aumenta la tensión de ruptura. 2. lo que favorece la emisión electrónica y por lo tanto el inicio de la descarga luminiscente. La causa de esto es que para valores de Pd Pd min el gas está muy enrarecido y se cumple que la separación entre sus partículas es tan grande que m i . Si se continúa disminuyendo la presión se llegará al punto señalado como a partir del cual ya m i Pd min . La curva de Paschen consiste en dos ramas que se determinan respecto a la posición del potencial mínimo de encendido de la descarga. por lo que la ruptura se presentara para una tensión inferior. La forma de los electrodos será decisiva en el voltaje al cual se inicia la descarga luminiscente en el gas.1. por lo que los electrones no podrán alcanzar la energía suficiente para ionizar el gas. Bajo estas condiciones. y para ello es necesario intensificar el campo eléctrico aplicado. según el campo sea más o menos uniforme. INFLUENCIA DE LA FORMA DE LOS ELECTRODOS. existen grandes diferencias en el voltaje. por lo que si se aumenta la presión esta condición se seguirá cumpliendo pero aumentará el número de choques y con ello la ionización. para una distancia y presión dadas. En la parte de Técnicas de Alta Tensión Página 9 . Cuando los electrodos no forman campos uniformes entonces se produce una concentración del campo eléctrico.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa un valor mínimo a partir del cual comienza a aumentar. Si la corriente es limitada. Los iones acelerados en este campo liberan electrones de los electrodos mediante colisión. Para el caso del aire.6x106 y b = 12. La curva de Paschen está dada por la siguiente ecuación: Donde V es la tensión disruptiva en Voltios. se forma un arco eléctrico. Las descargas de alto voltaje a bajas presiones se estudiaban en los años 30-60 del siglo XX y después se encontraron casi olvidados por tener poco aplicaciones tecnológicas. La dependencia más importante es con la presión del gas y la distancia de separación de los electrodos.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa presiones bajas respecto a la presión correspondiente al dicho potencial mínimo (la rama izquierda de la curva de Paschen) el potencial de ruptura aumenta rápido con disminución de la presión alcanzando decenas y centenas de kilo-electrónvoltios.8. A presiones bajas. El voltaje al cual ocurre el rompimiento depende de la forma y del material de los electrodos. en donde el rompimiento ocurre cuando este proceso se vuelve sostenible. se ha llegado a la expresión: Técnicas de Alta Tensión Página 10 . Las constantes a y b dependen de la composición del gas. el rompimiento ocurre a mayores distancias. la descarga es un resplandor. a = 43. de la presión del gas y de la distancia de separación entre los electrodos. Para el aire a presión atmosférica de 760 Torr. de lo contrario. El interés a este tipo de descargas se restablece después de su adecuación a tratamiento de superficies metálicas. donde p es la presión en Atmósferas y d es la distancia de separación en metros. p es la presión del gas. y d es la distancia entre electrodos. La chispa generada por el rompimiento del aire ocurre cuando la fuerza del campo eléctrico se vuelve lo suficientemente intensa como para acelerar los electrones a una velocidad que los hace capaces de ionizar las moléculas del aire. b.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Paschen se ha comprobado experimentalmente que funciona muy bien excepto para valores muy bajos del producto p. Paschen se ha comprobado experimentalmente que funciona muy bien excepto para valores muy bajos del producto p•d. es la distancia entre los electrodos. p. conocida como Ley de Paschen: Donde. Paschen estableció la tensión mínima a partir de la cual se puede producir la ruptura de un gas bajo campos eléctricos uniformes. 3. LEY DE PASCHEN PARA CALCULAR LA TENSIÓN DE RUPTURA DE GASES. es la tensión de ruptura en un campo uniforme.d. son constantes que dependen del gas. a. Vb. Técnicas de Alta Tensión Página 11 . d. presión del gas. Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Esta figura muestra como varia la tensión de ruptura del aire en función del producto de la presión por la longitud de entre hierro (pxd) para campos eléctricos uniformes. La curva de la ley de Paschen tiene un mínimo tensión de ruptura (Vb) min. Las segunda condición que debe producir según Paschen es que debe existir un número mínimo de partículas en aislante gaseoso para que se alcance una masa crítica que auto sostenga la descarga. La ley de Paschen presenta el grado de eficiencia en la ionización producida por los electrodos que atraviesan el entre hierro. Técnicas de Alta Tensión Página 12 . que solo se da para un determinado producto de la presión por la distancia de separación de los electrodos [(p. se producirá la descarga disruptiva del aire y un arco eléctrico tendrá lugar. Si nos situamos por encima de la curva (región A). Para que se produzca la descarga eléctrica deben darse dos condiciones indispensables. Por un lado la energía que se le suministre a los electrones debe sert al que permita la ionización de los átomos del gas al colisionar contra ellos. Si por el contrario nos situamos por debajo de la curva (zona B).d)min]. la energía aplicada por la tensión externa no será suficiente para desencadenar la descarga disruptiva. con lo cual se precisaría de un mayor campo eléctrico externo para que los electrones obtengan la energía suficiente para ionizar a los átomos del gas.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Si partiendo del valor mínimo de tensión de ruptura (Vb)min . la energía que ganan los electrones en su recorrido no es suficiente. dado que la densidad del gas es menor. no se llega a formar la avalancha electrónica y se precisaría de un mayor nivel de tensión para que se produzca la descarga disruptiva. con lo que la energía cinética que ganan en su recorrido es grande. los caminos libres medios que recorren los electrones son mayores. Sería más correcto hablar de la influencia de la densidad del gas y de la longitud del entrehierro en vez de referirnos a la presión. Al mantener la presión constante e ir variando la separación entre los electrodos se tiene que para mayores distancias la energía que recibe el electrón es menor y por tanto no puede ionizar los átomos. V b en la Figura. mantenemos constante la separación entre los conductores (d) y aumentamos la presión. El mínimo de la curva de Paschen marca por tanto la relación entre el número mínimo de colisiones necesarias y la energía mínima que se necesita para que se ionicen los átomos del gas. el número de colisiones que se producen es muy pequeña (debido al menor número de moléculas presentes) y se precisaría de una mayor tensión para poder crear la descarga. Si por el contrario se disminuye la presión por debajo del valor de tensión mínima. La descarga eléctrica no tendrá lugar en este caso debido a que aunque la cantidad de colisiones y por tanto de átomos del aislante es grande. mientras que si la distancia d es menor. la densidad del gas aumenta. La Figura siguiente muestra la relación experimental entre el coeficiente de ionización y la intensidad del campo. Sin embargo debido a que el número de colisiones es pequeño. por lo que se producen más colisiones entre los electrones y los átomos del gas. Técnicas de Alta Tensión Página 13 . aunque la energía que recibe el electrón es mayor. Para valores pequeños de V (línea 4. está representada por la curva continua.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa La relación ente α y E. Los puntos N y W están también indicados en la primera figura. Para tensiones mayores (línea 2. figura) hay dos cortes en la curva. lo que significa que no se produce ruptura o lo que es lo mismo. figura) no hay intersección entre la curva continua y la discontinua. que se está por debajo de la tensión mínima de Paschen. Cada una de las relaciones discontinuas representa un nivel de tensión aplicada. El punto tangente S se corresponde con el valor del mínimo de ruptura Vb. Para calcular las tensiones de ruptura con el aire se ha llegado a la ecuación. lo que significa que para una misma presión uno de los puntos se corresponde con el valor de longitud de separación entre conductores menor y otro con el mayor.3 y 4. curva 2. Si sustituimos en la Ecuación anterior los siguientes valores: Técnicas de Alta Tensión Página 14 . no debería experimentar descargas entre cables sin aislante o con aislante muy fino en aire y con una presión de 760 torr. La Tabla a continuación muestra las tensiones mínimas de ruptura para varios gases. Varios análisis han concluido. que para unas condiciones normales del entorno (presión. Si los transitorios superan los 320V es posible que se produzcan descargas.d) min correspondientes a esas tensiones. según la Ley de Paschen. así como los valores del producto (p. humedad…) la tensión de ruptura del aire está en torno a 320V. salvo para valores del producto p·d muy bajos (región con poco interés práctico). Esto quiere decir que un sistema que opera a 270Vdc con picos menores a 320V en los transitorios. Técnicas de Alta Tensión Página 15 . temperatura.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Obtenemos: Podemos comparar los resultados teóricos de la Ecuación con resultados experimentales Donde se aprecia que la Ecuación (40) responde fielmente a la realidad. También se producirán si hay contaminantes o algún otro tipo de factor externo influyente. ´Estos electrones Técnicas de Alta Tensión Página 16 . es un proceso complejo. Además. CRITERIOS DE RUPTURA. que tiene cierta densidad de partículas (presión). publicando unas curvas de la función. como se muestra en la figura. el producto de la presión por la distancia entre los electrodos. comenzara a ionizarse cuando el voltaje aplicado entre los electrodos. que se conoce como Ley de Paschen. condicionan la ionización. V (pd). Las curvas de Paschen describen el voltaje de rompimiento del medio gaseoso como función del parámetro variable pd. voltaje de rompimiento. Numerosos procesos de ionización se llevan a cabo dentro del gas. La transición de un gas neutro a un gas ionizado bajo un campo eléctrico. la naturaleza del gas y otros factores como la forma de los electrodos y la magnitud del campo eléctrico. Típicamente la función del voltaje de rompimiento es una curva suave con un mínimo a un valor específico pd. dos criterios deben ser satisfechos: inicialmente debe haber algún electrón o electrones libres que induzcan la ionización al interactuar con las partículas nuestras presentes entre un par de electrodos. sea mayor o igual al voltaje crítico. F. Para que el rompimiento ocurra. o. En 1889.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa 4. Un gas. Paschen describió este fenómeno. pueden generar otra generación de electrones. Son varios los procesos que involucran el incremento de ´esta corriente. Los ´átomos meta estables. Esta corriente fluye a través del plasma y su magnitud está determinada ´únicamente por el circuito externo. es conveniente diferenciar los procesos que inducen ionización dentro del plasma. en las condiciones adecuadas una amplificación en la concentración de iones y electrones presentes en el gas. Esta amplificación es regulada por la pérdida de iones y electrones por difusión y movimiento a la deriva ( drift ) entre el espacio de los electrodos. Es importante establecer cuál es el mecanismo responsable de que una descarga se vuelva auto sostenida. Debido a esto presentan tiempos de decaimiento muy largos. son ´átomos excitados en niveles que no pueden decaer por emisión de luz. A los electrones que se emiten a partir de este proceso se les conoce como electrones secundarios. incrementando así el número de electrones emitidos por el cátodo. la radiación. Debido a la alta energía cinética de los iones. independiente de cualquier fuente de ionización externa. estos electrones dan lugar a una progenie nueva de electrones producidos por ionización por impacto electrónico. debido a un efecto cascada. Finalmente. estos pueden desprender electrones del cátodo al impactarse contra ´el. A fin de aclarar lo anterior. esta es en principio. En el gas los iones positivos son capaces de ionizar a otros ´átomos por medio de colisiones. es decir. Radiación proveniente de estados excitados o estados meta estables. Una vez que se ha iniciado la corriente auto sostenida. se establece una corriente auto sostenida. Estos nuevos electrones. Cuando se sobrepasa el voltaje de rompimiento. Estos pueden ser clasificados en dos categorías: Técnicas de Alta Tensión Página 17 . y así sucesivamente.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa pueden producir. también puede desprender electrones del cátodo por efecto fotoeléctrico. los cuales se llevan a cabo en el gas o en el cátodo. También se llevan a cabo colisiones de segunda especie entre partículas excitadas o meta estables. a su vez. la corriente se hace auto sostenida. este en su camino hacia el ánodo colisiona con otras partículas ionizándolas. la probabilidad de ceder parte de su energía cinética en una sola colisión es muy pequeña. debido a colisiones (de primera y segunda especie) y efecto fotoeléctrico. en intervalos de tiempo muy cortos del orden de 10−8 segundos.Por todas las razones anteriores el proceso o mecanismo β no puede ser responsable del voltaje de rompimiento. pero en general cualquier función de trabajo es mayor a 3V. y un electrón que inicialmente se encuentra en el cátodo.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Procesos en el gas en el que la ionización por colisión es efectiva. además. para ionizar. son usualmente referidos como procesos γ. con lo que forma una avalancha de electrones. De ahí se infiere que el proceso de auto sostenimiento de la descarga no depende inicialmente de los iones . Considerando un campo eléctrico uniforme entre dos electrodos planos paralelos. es llamado proceso β. requieren del doble de energía cinética que la utilizada por los electrones. El proceso β está basado en las colisiones entre los iones positivos y los ´átomos. y también es llamado segundo coeficiente de ionización de Townsend. Está definido como el número de electrones que un ion produce por colisión con átomos del gas por unidad de longitud en dirección del campo. los iones prácticamente no se mueven. Debido a que ´este tiempo es muy corto. ´Estos. los electrones son liberados de ´este. Por otro lado. Si ´este mecanismo fuera el responsable del voltaje de rompimiento. tendría que tener una función de trabajo insignificante que liberara muy fácilmente electrones. El número de electrones de la avalancha está dado por la siguiente relación: Técnicas de Alta Tensión Página 18 . el material de la superficie del cátodo. Los procesos de cátodo. y pueden ser considerados estacionarios. en los cuales. y otra vez. Reescribiendo los términos se obtiene una función para la distancia. La expresión para la corriente en la descarga. Técnicas de Alta Tensión Página 19 . Substituyendo el valor del primer coeficiente de Towsend ∝=Apexp-BpE. El electrón secundario emitido formara una avalancha de electrones. d la distancia entre los electrodos y γi es uno de los coeficientes secundarios de ionización de Towsend que dan lugar debido a la acción en el cátodo. los iones tendrán cierta probabilidad de liberar un electrón para su neutralización. α es el coeficiente primario de ionización de Townsend. es decir cuando la corriente crece de manera exponencial. ecuación.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Los electrones son atraídos por el ánodo. Con ´este proceso toma lugar un incremento en la multiplicación de electrones hasta que la corriente es limitada por el circuito exterior por medio de una resistencia. y los iones positivos se mueven lentamente hacia el cátodo. los electrones serán colectados por el ´ánodo. está dada por la ecuación siguiente. La condición para la transición a descarga auto sostenida. Cuando alcanzan el cátodo. i0 es la corriente generada por la fuente de ionización externa. en donde i corresponde a la corriente. debido a las colisiones de electrones e impacto de iones en el cátodo. Esta probabilidad se designa por γ. y los iones se moverán hacia el cátodo. denominada resistencia de balastro. ocurre cuando el denominador se hace cero. además del valor del campo (suponiendo que es uniforme) para dos placas paralelas E=Vr/d. donde p es la presión y d la separación de los electrodos. Que puede ser reescrita de la siguiente manera: Con: Estas expresiones consideran que el coeficiente de ionización secundaria.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa donde Ay B son constantes que dependen del gas y los electrodos. es función del parámetro E/N o E/P. es constante. generalmente γ. γ. con Vr el voltaje de rompimiento. CURVAS DE PASCHEN EN ARGÓN Y AIRE Como se mencionó en la sección anterior. denominado potencial de ruptura. La curva de este potencial como función del parámetro pd. se obtiene una expresión para el voltaje de rompimiento en función de pd. Esta ley se explica considerando la probabilidad de ionización de los electrones al recorrer el espacio entre electrodos. Sin embargo. Para el argón Técnicas de Alta Tensión Página 20 . se conoce como curva de Paschen. 5. En esta sección se presentan las curvas de Paschen alrededor de 1−12cm−torr para argón y aire. γ(E/p). la ruptura de un gas ocurre a un potencial característico. ecuación. Se usan un valor de pd (presión-distancia) variable. Previamente al inicio de la descarga.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa se utilizan dos tipos de electrodos. se establece una descarga de alto voltaje durante al menos dos horas. Así que. desprenden de estos las impurezas superficiales presentes en ellos. En particular se evalúa la ley de Paschen para Argón y aire. un par de cobre y un par de aluminio. El sistema está diseñado para introducir el gas bajo estudio de manera muy controlada a través de una serie de válvulas. La razón de esto es que los iones. antes de cada medición. se logró variar la presión dentro de la celda al introducir diferentes cantidades de Argón y aire. Para los diferentes gases se lleva a cabo el mismo procedimiento. En la celda donde se lleva a cabo la descarga se hace un vacío del orden de 10−8 torr. así como también se calculan los coeficientes Towsend de ionización secundaria γ. limpiando de Técnicas de Alta Tensión Página 21 . al impactar los electrodos. medidas con el ion gauge. A fin de acondicionar los electrodos y limpiarlos de posibles impurezas. Estas válvulas permiten introducir de manera controlada el gas muestra con precisión de milésima de Torr. manteniendo la distancia fija en un valor conocido. el sistema de vacío se evacua a presiones de alrededor de 10−8Torr. fija. previa a las medidas asegura que la superficie expuesta en nuestras medidas es el elemento del que están hechos los electrodos. El proceso de descarga continua. es dependiente de la composición superficial. abarca rangos menores de pd que la serie nombrada serie 2. y se varıa la presión. se muestra este par de series superpuestas. Técnicas de Alta Tensión Página 22 . Se obtiene mediciones del voltaje de ruptura en función del parámetro pd. Esto es de particular importancia debido a que las propiedades de ruptura de la descarga dependen fuertemente de la función de trabajo de los electrodos. Y P1 = B.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa esta manera al cátodo. La distancia entre los electrodos es de 1cm. la cual. para la descarga de argón con electrodos de aluminio. La serie que se nombra serie 1. a su vez. se puede observar una tendencia similar en el comportamiento del voltaje de ruptura en función del parámetro pd. En la figura anterior. se compara con la curva obtenida en la referencia. se obtiene un valor de P2 mostrado en el cuadro superior en la gráfica. Técnicas de Alta Tensión Página 23 . mayor al obtenido en las siguientes gráficas. correspondiente a Ar y electrodos de cobre. 4.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Las curvas de Paschen obtenidas para Argón y electrodos de aluminio. Se obtiene para cada una de las curvas. En la gráfica siguiente. El valor P2 del ajuste. son ajustadas a la ecuación teórica. La curva. obtenemos medidas para la curva de Paschen en una descarga de argón y con electrodos de cobre.5. y sus valores son mostrados en el cuadro superior de cada una de las curvas. que determina el valor de la constante γ. aunque el rango de valores pd y de voltajes son casi los mismos entre las gráficas. En la gráfica. V − pd. En la gráfica siguiente.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Estas curvas de la literatura. se muestra la comparación. Técnicas de Alta Tensión Página 24 . son obtenidas para una descarga de Ar y electrodos de Cu. el valor del campo eléctrico. y el ajuste de acuerdo con la ecuación. y V ruptura coinciden con la referencia. La combinación de varios mecanismos interviene en la obtención del voltaje de ruptura. y se puede observar que estas curvas tampoco coinciden totalmente con la referencia. compara sus resultados. que regula la corriente en la descarga. Salvo la región del voltaje mínimo de ruptura. en los que los valores de pd. 1cm. En la gráfica. Técnicas de Alta Tensión Página 25 . la presión. también se muestran las curvas con las que la referencia. En la gráfica. se observa que es una región de solo algunos puntos. electrodos de aluminio.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Se observa en la gráfica que los voltajes de ruptura obtenidos en el presente trabajo son mayores a los de las referencias. en donde las cuatro curvas se aproximan. En las gráfica siguientes se muestran las curvas de Paschen obtenidas para la descarga en aire. Aunque la distancia entre los electrodos es la misma. para la referencia y para esta tesis. Otro factor que interviene en la obtención del voltaje de ruptura es el valor de la resistencia de balastra. tales como la distancia entre los electrodos. se utilizan los valores de la constante A para argón. tiene un valor de distancia entre los electrodos de d = 0. Para calcular γ por medio de P2.5cm. Y la curva 4. A = 14cm−1 torr−1 . corresponde una distancia entre los electrodos de d = 1cm.8.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa La curva. En el siguiente cuadro: Se muestran los resultados y el valor de la constante B obtenido en el ajuste. P1=B. Técnicas de Alta Tensión Página 26 . reportados respectivamente. y para aire. A = 15cm −1 torr−1 . puede observarse una luminiscencia en el gas (a la cual se debe el nombre del fenómeno: “glow”). No obstante al Técnicas de Alta Tensión Página 27 . Alternadas con las zonas de mayor brillo se presentan asimismo franjas oscuras regularmente distribuídas (de las cuales no nos ocuparemos en el presente trabajo). Al superar este voltaje crítico. además.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa 6. DESCARGA GLOW EN GASES El efecto “glow” es un fenómeno que se presenta al aplicar una tensión (de 100 V hasta algunos centenares de kV) a un gas entre dos electródos. La explicación de este fenómeno está estrechamente relacionada con el de descarga Townsend. Al incrementar la diferencia de potencial entre cátodo y ánodo se movilizan algunos electrones libres presentes en el gas (mayoritariamente arrancados de las moléculas del gas por radiaciones cósmicas y ambientales) y se observa una corriente muy pequeña. Cuando se eleva gradualmente la tensión se observa que la corriente entre los electrodos pasa de ser prácticamente nula a tener un valor apreciable. El gas se vuelve conductor. F – G: Esta región corresponde al “glow” anormal y ocurre cuando el área del cátodo se cubre totalmente G: En este punto ocurre una descarga de arco entre ambos electrodos. que se satura pero aún no hay ionización C – D . La corriente aumenta a expensas del área por la cual fluye la corriente. E – F: Este es el régimen de “glow” normal.E: Ocurre la descarga Townsend y aumenta exponencialmente la corriente en función del voltaje. estos finalmente poseen la energía suficiente para arrancar electrones secundarios de otras moléculas. la corriente Técnicas de Alta Tensión Página 28 . las cargas no poseen suficiente energía para ionizar al gas.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa incrementar la tensión y por lo tantola energía de los electrones “semilla”. El proceso entonces se multiplica de manera geométrica y la corriente aumenta exponencialmente con la tensión aplicada. Al continuar aumentando la tensión la relación de la corriente con la misma atraviesa distintos regímenes (figura 2). B – C: Todas las cargas contribuyen a la corriente. Las distintas regiones delimitadas en la figura son: A – B: La corriente es pequeña. Al aumentar el voltaje y cruzar el punto D. si luego se disminuye. los respectivos voltajes de ruptura y graficarlos en función del producto de la presión por la distancia intelectródica para obtener la curva de Paschen. Autoregenerativos ante descargas.1.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa no sigue la curva D – E en sentido inverso sino que existe un fenómeno de histéresis. Dentro del orden de las magnitudes con las que nosotros trabajaremos el voltaje de ruptura puede modelarse por Donde C está relacionado con el coeficiente de emisión secundario g (número de electrones secundarios promedio producidos por los primarios) mediante El objetivo del presente trabajo será obtener curvas de V vs. En 1889 Friedrich Paschen publicó una ley experimental para relacionar el voltaje de ruptura con la presión del gas y la distancia interelectródica.C – D de la figura 1. Aislantes Eléctricos Gaseosos: No tienen estructura cristalina. Bajo factor de pérdidas < 10-5 (Corriente resistiva /capacitiva) Técnicas de Alta Tensión Página 29 . Permitividad unitaria. Postuló que la misma era una función no lineal del producto de ambas V f ( pd) ruptura = . 6. Mezclables. Rigidez dieléctrica controlable por al presión y temperatura. I para aire dentro de la región A – B. sino que la descarga se mantiene en las cercanías de uno o de ambos electrodos.2. La corriente en estos casos es controlable. Tipos de descargas eléctricas a) Descargas parciales: La descarga no une los electrodos (que mantienen la diferencia de potencial).er. La avalancha forma un camino conductor entre los electrodos que produce la descarga disruptiva entre electrodos.Fd .ek Fd: factor de distancia er: factor de rugosidad de electrodos ek: factor de forma del electrodo Técnicas de Alta Tensión Página 30 . b) Descarga transversal: La descarga disruptiva une completamente los electrodos que mantienen una diferencia de potencial.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa 6. d. c) Mecanismo de descarga DC Una vez que se origina un electrón dentro de un CE aplicado comienza un proceso de avalancha de electrones que van ionizando a los átomos neutros. la corriente se hace incontrolable. Para excitación estacionaria sirve la siguiente expresión: Ud=Edi. Crecimiento temporal de electrones ionizantes. La presión del aire Tipo de solicitación aplicada Otros parámetros que no se tratarán aquí La rigidez dieléctrica del aire para campo uniforme. El cálculo de la tensión de ruptura es probabilístico de acuerdo e una distribución doble exponencial 7. Separadas 1cm Solicitación de tensión DC Presión del aire de 760mmHg Temperatura 20°C Humedad menor de 80% es de 32kV/cm Técnicas de Alta Tensión Página 31 . por lo tanto los mecanismos son similares a los de DC. Electrodos formados por dos placas planas paralelas. e) Descarga bajo tensión de impulso Los fenómenos relevantes: Aparición de electrones iniciadores. los electrones y iones comienzan a oscilar entre los electrodos. Para frecuencias muy altas. esto es una fracción muy pequeña del ciclo de 50 Hz.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa d) Descargas en aire (AC) El proceso de descarga se produce en intervalos de tiempo de 10-6 a 10-8 s. RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL AIRE Se comprueba experimentalmente que la rigidez dieléctrica del aire depende de: La forma de los electrodo La distancia entre ellos. RIGIDEZ SUPERFICIAL Depende de la distancia entre electrodos No depende de la superficie de aislamiento. 8.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa La rigidez del aire disminuye rápidamente con la separación entre electrodos. rugosidad del material Suciedad de la superficie Humedad ambiente. 9. CRITERIOS DE RUPTURA: LEY DE PASCHEN Técnicas de Alta Tensión Página 32 . (llegando a una rigidez parecida a la del aire para una humedad relativa del 0% con la superficie limpia). o. como se muestra en la figura Para que el rompimiento ocurra. que tiene cierta densidad de partículas (presión). a su vez. pueden generar otra generación de electrones. publicando unas curvas de la función. es decir. se establece una corriente autosostenida. sea mayor o igual al voltaje critico. condicionan la ionización. Numerosos procesos de ionización se llevan a cabo dentro del gas. Además. en las condiciones adecuadas una amplificación en la concentración de iones y electrones presentes en el gas. Un gas. el producto de la presión por la distancia entre los electrodos. comenzara a ionizarse cuando el voltaje aplicado entre los electrodos. independiente de cualquier fuente de Técnicas de Alta Tensión Página 33 . Estos nuevos electrones. Las curvas de Paschen describen el voltaje de rompimiento del medio gaseoso como función del parámetro variable pd. En 1889. es un proceso complejo. F. y así sucesivamente. esta es en principio. Típicamente la función del voltaje de rompimiento es una curva suave con un mínimo a un valor especifico pd. V (pd). Cuando se sobrepasa el voltaje de rompimiento. Una vez que se ha iniciado la corriente autosostenida. la naturaleza del gas y otros factores como la forma de los electrodos y la magnitud del campo eléctrico. Esta amplificación es regulada por la pérdida de iones y electrones por difusión y movimiento a la deriva ( drift ) entre el espacio de los electrodos. Paschen describió este fenómeno. que se conoce como Ley de Paschen. debido a un efecto cascada. voltaje de rompimiento.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa La transición de un gas neutro a un gas ionizado bajo un campo eléctrico. ´Estos electrones pueden producir. estos electrones dan lugar a una progenie nueva de electrones producidos por ionización por impacto electrónico. Esta corriente fluye a través del plasma y su magnitud está determinada únicamente por el circuito externo. dos criterios deben ser satisfechos: inicialmente debe haber algún electrón o electrones libres que induzcan la ionización al interactuar con las partículas neutras presentes entre un par de electrodos. En el gas los iones positivos son capaces de ionizar a otros ´átomos por medio de colisiones. requieren del doble de energía cinética que la utilizada por los electrones. es conveniente diferenciar los procesos que inducen ionización dentro del plasma. los cuales se llevan a cabo en el gas o en el cátodo. Finalmente. los electrones son liberados de ´este. son átomos excitados en niveles que no pueden decaer por emisión de luz. Está definido como el número de electrones que un ion produce por colisión con átomos del gas por unidad de longitud en dirección del campo. y también es llamado segundo coeficiente de ionización de Townsend. El proceso β esta basado en las colisiones entre los iones positivos y los átomos. estos pueden desprender electrones del cátodo al impactarse contra ´el. También se llevan a cabo colisiones de segunda especie entre partículas excitadas o metaestables. Radiación proveniente de estados excitados o estados metaestables. para ionizar. Los átomos metaestables. Es importante establecer cual es el mecanismo responsable de que una descarga se vuelva autosostenida.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa ionización externa. debido a colisiones (de primera y segunda especie) y efecto fotoeléctrico. es llamado proceso β. incrementando así el número de electrones emitidos por el cátodo. A fin de aclarar lo anterior. son usualmente referidos como procesos γ. Son varios los procesos que involucran el incremento de ´esta corriente. Debido a esto presentan tiempos de decaimiento muy largos. la probabilidad de ceder parte de su energía cinética en Técnicas de Alta Tensión Página 34 . Los procesos de cátodo. A los electrones que se emiten a partir de este proceso se les conoce como electrones secundarios. la radiación. ´Estos. también puede desprender electrones del cátodo por efecto fotoeléctrico. Debido a la alta energía cinética de los iones. en los cuales. además. Estos pueden ser clasificados en dos categorías: Procesos en el gas en el que la ionización por colisión es efectiva. Por otro lado. con lo que forma una avalancha de electrones. Esta probabilidad se designa por γ. y los iones se moverán hacia el cátodo. De ambos se infiere que el proceso de autosostenimiento de la descarga no depende inicialmente de los iones. y los iones positivos se mueven lentamente hacia el cátodo. i0 es la corriente generada por la fuente de ionización externa. El numero de electrones de la avalancha esta dado por la siguiente relación: n = exp (αx) (2. Si ´este mecanismo fuera el responsable del voltaje de rompimiento. Con ´este proceso toma lugar un incremento en la multiplicación de electrones hasta que la corriente es limitada por el circuito exterior por medio de una resistencia. en donde i corresponde a la corriente. denominada resistencia de balastro. Cuando alcanzan el cátodo. la corriente se hace autosostenida. y pueden ser considerados estacionarios. α es el coeficiente Técnicas de Alta Tensión Página 35 . los iones prácticamente no se mueven. Considerando un campo eléctrico uniforme entre dos electrodos planos paralelos. La expresión para la corriente en la descarga.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa una sola colisión es muy pequeña. en intervalos de tiempo muy cortos del orden de 10−8 segundos. debido a las colisiones de electrones e impacto de iones en el cátodo. Por todas la razones anteriores el proceso o mecanismo β no puede ser responsable del voltaje de rompimiento. en su camino hacia el ánodo colisiona con otras partículas ionizándolas. pero en general cualquier función de trabajo es mayor a 3eV . Debido a que este tiempo es muy corto. El electrón secundario emitido formar ‘a una avalancha de electrones. los electrones serán colectados por el ánodo. este. los iones tendrán cierta probabilidad de liberar un electrón para su neutralización. tendría que tener una función de trabajo insignificante que liberara muy fácilmente electrones.35) Los electrones son atraídos por el ánodo. el material de la superficie del cátodo. y otra vez. y un electrón que inicialmente se encuentra en el cátodo. Bpd Vr Apd 1 ln 1 ln Técnicas de Alta Tensión Página 36 .Universidad Nacional de San Agustín Arequipa primario de ionización de Townsend. se obtiene una expresión para el voltaje de rompimiento en función de pd. donde A y B son constantes que dependen del gas y los electrodos. es decir cuando la corriente crece de manera exponencial. ocurre cuando el denominador se hace cero. además del valor del campo (suponiendo que es uniforme) para dos placas paralelas E = Vrd Con Vr el voltaje de rompimiento. i e d i0 1 i e d 1 La condición para la transición a descarga auto sostenida. d la distancia entre los electrodos y γi es un de los coeficientes secundarios de ionización de Townsend que dan lugar debido a la acción en el cátodo. i e d 1 1 Rescribiendo los términos se obtiene una función para la distancia d 1 1 ln 1 Substituyendo el valor del primer coeficiente de Towsend α = Ap exp−Bp/E. Albella Alta Tensión y Sistemas de Transmisión. Paginas de Interné http://www. Luis A.wikipedia.edu.ing.Universidad Nacional de San Agustín Arequipa Que puede ser rescrita de la siguiente manera: Vr Bpd ln pd P1 Estas expresiones consideran que el coeficiente de ionización secundaria.co/pdf/ring/n29/n29a2. Sin embargo.pdf http://bibdigital.htm Técnicas de Alta Tensión Página 37 . propiedades y aplicaciones.p df http://es.pdf http://www.csic.org/wiki/Friedrich_Paschen http://www.unam.edu.mx/~juarez/vero. Siegert C.epn.fis.es/fis/documentos/Tema02. Autor Jose M.icmm.com/biografia/p/paschen. es función del parámetro E/N ´o E/P.unlp.pdf http://www.scielo.org/wiki/Ley_de_Paschen http://www. BIBLIOGRAFIA LIBROS Laminas delgadas y recubrimientos preparación. es constante.pdf http://es.γ.pdf http://www.ar/camposyo/Materiales_aislantes%2009.com/informes/infor_mod/descarga_Glow_aire_2k7.biografiasyvidas. generalmente γ.wikipedia.fisicarecreativa.ec/bitstream/15000/10017/1/EQUIPO%20DE%20ALTO %20VOLTAJE. γ (E/p) 10.org.