INTRODUCCINPara la circulacin de corriente elctrica en cualquier medio, es necesario que existan portadores de electricidad. En los metales conductores, los portadores de electricidad son los electrones de conduccin, en los lquidos los portadores son iones que aparecen en el lquido por ionizacin o disociacin. En el vaco se carece de portadores de electricidad, y solo existe circulacin de corrientes, si por medios externos se proporcionan los portadores de electricidad. Es decir esencial una accin externa y entonces se dice que la descarga es una corriente elctrica dependiente. En los gases la condicin que implica el paso de una corriente elevada se conoce como el fenmeno de descarga o ruptura elctrica del gas: paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor. Si se incrementa la corriente que circula se llega a una situacin en la que entre los electrodos aparecen distintos espacios o zonas emisoras de luz y oscuras. Se habla entonces de descargas luminiscentes, siendo el color de las diversas zonas caractersticas del gas que ocupa el tubo.Con el incremento de la demanda de energa elctrica, el sistema de potencia ambos estn creciendo en tamao y complejidad.El mecanismo que rige la descarga en los gases es el comportamiento de la corriente en funcin de la tensin entre los electrodo.Este mecanismo con lleva a una ruptura de la rigidez dielctrica del medio circundante y es ampliamente conocido como Descarga de Townsend.

DESCARGA EN GASES Una descarga elctrica en un medio gaseoso, es un fenmeno en el que un gas que normalmente, no conduce la electricidad, empieza a hacerlo debido a la ionizacin de sus tomos, como consecuencia de la influencia de una fuente energtica (de calor, de radiacin o de un campo elctrico, que provoca una diferencia de potencial entre dos electrodos ente los que se sita el gas). La conduccin elctrica a travs de este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue la ley de Ohm, sino que se rige por los procesos fsicos elementales que se dan ente las partculas cargadas (electrones, iones, tomos y molculas excitadas) transportadas en el plasma y producidas y absorbidas en los electrodos. De hecho, para poder realmente comprender las descargas elctricas en gases, se deben analizar el comportamiento de dichas partculas y los procesos fundamentales que se producen en y entre dos zonas:

(1)Columna de plasma, formada por la ionizacin del medio gaseoso. (2) Regin de los electrodos, regin andica (prxima al nodo (+)) y regin catdica (prxima al ctodo (-)), esta ltima, de gran importancia, ya que es donde surgen los electrones, que junto con los iones, son las partculas fundamentales en los procesos de descarga. En los gases existen eventuales electrones, que se ven sometidos a fuerzas cuando estn a un campo elctrico, es decir estas fuerzas son:

La fotoionizacin da lugar a partculas ionizadas (electrones) con movimientos libres, que chocan con los tomos neutros del gas, estos choques producen energas y en esas condiciones se forman nuevas partculas, este fenmeno se conoce como ionizacin por impacto.CLASIFICACIN DE LAS DESCARGAS ELCTRICAS EN GASESClasificacin de descargas elctricas en gases. En el actual estado de la tcnica, las descargas elctricas en gases se clasifican genricamente, atendiendo a dos criterios:

EN FUENTE DE IONIZACIN SON EL NO AUTO-SOSTENIDAS O NO ESPONTANEAS Y AUTO-SOSTENIDAS O ESPONTANEAS.

La no auto-sostenidas o no espontaneas, en este tipo de descarga, la conductividad elctrica de gas se mantiene fuentes exteriores de ionizacin. Al mismo tiempo el efecto de una radiacin, puede arrancar electrones de un tomo o de una molcula neutra, ionizando por tanto, los tomos y molculas del gas, denominndose a este tipo de ionizacin fotoionizacin. La auto-sostenidas o espontaneas, este tipo de descarga la conductividad elctrica es mantenida por su propia descarga, sin ninguna participacin de una fuente exterior de calor o radiacin. Tambin se dan procesos de termo ionizacin y fotoionizacin, pero no origen de fuentes externas si no en la radiacin y calor generados en la misma descarga. EN LA RUPTURA DE GAS

Las descargas parciales son descargas elctricas de pequea energa y duracin transitoria, en las que el medio gaseoso no es atravesado por completo por la corriente, no producindose la ruptura del mismo.

Las descargas elctricas disruptivas son aquellas descargas elctricas, en las que la corriente consigue atravesar por completo el gas que separa a los electrodos a diferente potencial. En las descargas disruptivas, el gas ionizado produce un camino que permite el paso de la corriente de un electrodo a otro.

Fig. 1. CURVA VOLTAJE-CORRIENTE DE DIFERENTES TIPOS DE DESCARGAS ELECTRICAS EN GASES.Como se aprecia en la Fig. 1 para tensiones pequeas la corriente de la descarga se crece con la tensin (Zona A - B). Esto ocurre, hasta que la tensin adquiera un valor de saturacin, debido a que el tiempo de transito de las cargas es menor que el tiempo de creacin de dichas cargas. Para las tensiones superiores a la de saturacin (C - D), la descarga se desarrolla por el mecanismos de multiplicacin por avalanchas, con emisiones de electrodos por parte de ctodo, denominada zona de descarga Townsend, que es una regin de descarga oscura (no provoca ninguna emisin de radiacin lumnica) y se dan corrientes muy dbiles (10-8 A). En el punto D, se puede dar dos situaciones: Bajas presiones (p.d) en relacin de baja, presiones atmosfricas (p.d) en relacin de subida y rgimen de descargas a bajas presiones. En el punto D, empieza la descarga 30 luminiscente, que operan a bajas corrientes y la presin, los electrones se emiten por impactos de electrones con el ctodo frio. La transicin D F se genera una distribucin de campo elctrico elevado en el ctodo que mantiene constante y que se conserve frio, para que no genere suficiente corriente elctrica. En la zona F - G la tensin de la descarga es constante. La intensidad se vara gracias a que el rea transversal de descarga va creciendo. En la zona D - G, se le conoce como rgimen de descarga luminiscente normal y la zona G - H, ha agotado la capacidad de crecer en intensidad aumentando el rea y comienza a requerir ms tensin para multiplicacin de electrones, invadiendo la zona de ctodo. En el punto H, la corriente es tan intensa produciendo emisin termoinica y dando lugar a un arco, regin tras el punto I. La regin H - I, la cada catdica para el arco, es ms pequea que la descarga de luminiscente D - F.

TEORA TOWNSENDDEFINICIN El efecto Townsend es un fenmeno fsico que involucradispersinde electrones de baja energa por tomos de ungas noble.La descarga de Townsend o descarga oscura, en la cual la magnitud de la corriente, para condiciones normales, no sobrepasa los 10-6 A.Este efecto fue nombrado as por el fsico alemnCarl Ramsauer(1879-1955) y el fsico-matemtico irlandsJohn Sealy Townsend(1868-1957), quienes, independientemente, estudiaron las colisiones entre tomos y electrones de baja energa a inicios de la dcada de 1920.Cuando un electrn se mueve a travs de un gas, su interaccin con los tomos del gas genera una dispersin. Estas interacciones estn clasificadas como inelsticas, 25 cuando causan excitacin o ionizacin del tomo del gas, y elsticas cuando no la causan. Debido a que los tomos de un gas noble tienen una energa de ionizacin relativamente alta y los electrones no tienen suficiente energa para causar niveles electrnicos excitados, la ionizacin y la excitacin del tomo son poco probables y la probabilidad de dispersin elstica sobre todo el ngulo slido es igual a la probabilidad de colisin.Los experimentos de Townsend consideran, la medida de la corriente promedio de disrupcin en gaps forma un campo uniforme al aplicar voltajes estticos. El arreglo utilizado en el graf.11, en donde la luz ultravioleta al impactar contra el ctodo libera los electrones inciales de la descarga este mecanismo es matemtico.

ARREGLO PARA ANLISIS DE LAS CORRIENTE PROMEDIO DE PRE-DISTRIBUCIN.

Para comprender mejor la teora de descarga elctrica atmosfrica es necesario hacer una breve introduccin a las dos teoras de descargas en gases actualmente reconocidas como teora de Townsend y la teora de canales.

TEORA DE TOWNSEND PARA DESCARGAS ELCTRICAS EN GASESLa investigacin que se realiz para su formular su teora se bas en planteamiento de dos coeficientes que modelan tanto el comportamiento de molculas de gas, como la influencia de los electrodos en el proceso de descarga elctrica en gases. Los dos coeficientes que modelan tanto el comportamiento de las molculas de gas, como la influencia de los electrodos en el proceso de la descarga elctrica en gases. COEFICIENTE DE LA PRIMERA IONIZACIN DE TOWNSENDLas descargas elctricas, tanto las disruptivas como las parciales, tienen lugar debido a la ionizacin de los tomos del aislante o dielctrico que separa dos superficies con diferente potencial.Townsend descubri que existe una relacin entre la corriente que atraviesa el espacio entre dos conductores planos y la diferencia de potencial aplicada en los mismos. Esta relacin se muestra en la Figura 1, mostrada a continuacin.

Figura 2. Relacin entre la corriente y la tensin entre dos conductores planos de la descarga.

Tal y como muestra en la figura anterior, Townsend descubri que el aumento de la corriente con la tensin tiene tres tramos diferenciados, hasta que se produce la descarga elctrica o ruptura del aislante. En el primer tramo (0-V1), la corriente aumenta casi directamente proporcional a la tensin aplicada. Este transporte de la corriente es debido a la formacin natural de los iones libres en el aire. Cuando se alcanza el valor de corriente de saturacin, representado en la figura por i0, comienza el segundo tramo (V1-V2) en el cual la corriente permanece casi constante. Si se aplican tensiones mayores a V2 de forma mantenida, se alcanzan valores de corriente superiores a i0. En este tercer tramo, a partir de V2, la corriente aumenta de forma exponencial al aumentar la tensin aplicada.Townsend atribuy el aumento de la corriente a partir de V2 (Figura 2) a la ionizacin del gas (aislante que separa los conductores) por la colisin de los electrones. Supuso que al aumentar la tensin y aumentar por lo tanto el campo elctrico, los electrones adquiran ms velocidad y alcanzaban suficiente energa en los choques para poder ionizar a las partculas del gas por colisin.Para explicar este comportamiento Townsend defini el valor , conocido como coeficiente de la primera ionizacin de Townsend. Este coeficiente representa el nmero de electrones libres que es capaz de producir un electrn por unidad de longitud de camino libre, en la direccin del campo elctrico aplicado. La Ecuacin (1) representa su aplicacin y significado a la hora de comprender el comportamiento de la multiplicacin electrnica en las descargas elctricas. En dicha ecuacin n es el nmero de electrones a una distancia x del ctodo en la direccin del campo elctrico aplicado; dn representa el incremento de electrones en la longitud dx, ver Figura 3(a):(1)Si integramos esta expresin en funcin de la distancia obtenemos la Ecuacin (2).(2)O en trminos de corriente:(3)Donde n0 es el nmero de electrones que abandonan inicialmente el ctodo y e*d es conocido como avalancha y representa el nmero de electrones libres producidos por un electrn en el viaje desde el ctodo hasta el nodo. La Figura 2 muestra un esquema de este proceso de avalancha.

Figura 3. Creacin de electrones libres en el proceso de avalancha.

SEGUNDO COEFICIENTE DE IONIZACIN DE TOWNSEND

Cuando Townsend represent el log I frente a la distancia de separacin de los electrodos d, para una presin dada y manteniendo el campo elctrico E constante, se percat de que a partir de cierto valor de d el crecimiento de la corriente era mayor al esperado por la Ecuacin (4). La representacin se puede apreciar en la Figura 3.

Figura 4. Variacin de la corriente en funcin de la separacin entre los electrodos con campo y presin uniformes.

Para explicar el alejamiento de la linealidad, Townsend postul que un segundo mecanismo deba estar afectando a la corriente de la descarga elctrica. La conclusin a la que lleg fue que nuevos electrones estaban participando en el proceso de descarga aparte de los producidos por la ionizacin del gas aislante. Otros procesos causantes del aumento de la corriente en la Figura 4 es el debido a la fotoionizacin del gas, la emisin secundaria de electrones del ctodo por el impacto de fotones, e incluso el efecto de los metaestables. El mecanismo secundario predominante depende de las condiciones del entorno, tales como la presin, el campo elctrico aplicado, la forma y composicin de los electrodos... Adems puede haber ms de un mecanismo que participe en la ionizacin secundaria dentro del gas que separa los electrodos. El coeficiente de la segunda ionizacin descrito por Townsend () incluye a todos los mecanismos que estn participando en la ionizacin secundaria. La corriente puede expresarse mediante la Ecuacin (4)

(4)

Donde I es la corriente que atraviesa el aislante, I0 es la corriente que inicialmente abandona el ctodo (sin tener en cuenta el efecto de la ionizacin secundaria), es el coeficiente de la primera ionizacin de Townsend, d es la distancia de separacin entre electrodos y es el coeficiente de la segunda ionizacin de Townsend. ste coeficiente est muy influenciado por la naturaleza de la superficie del ctodo. Cuanto menor es la funcin de trabajo (energa necesaria para liberar un electrn de la superficie del ctodo), mayor ser la emisin de electrones producida, ante las mismas condiciones. El valor de es pequeo para valores pequeos de E/P y aumenta al aumentar E/P.Esto es debido a que cuanto mayor sea E/P habr mayor nmero de iones positivos y fotones con la energa suficiente para liberar los electrones de la superficie del ctodo. En la Tabla 1 se ve la influencia de la superficie del ctodo en el valor de .

INFLUENCIA DE LA SUPERFICIE DEL CTODO EN EL VALOR DE

Criterio de formacin de descarga de TownsendAl aumentar la tensin entre dos electrodos separados por aire, la corriente responde a la Ecuacin (4). A partir de dicha ecuacin y mediante un desarrollo matemtico se obtiene que el criterio de descarga de Townsend sea:

(5)Donde representa el coeficiente de la primera ionizacin de Townsend efectivo y es el coeficiente de la segunda ionizacin. Si (e *d - 1) = 1 el nmero de pares de iones producidos en el aire por el paso de la avalancha electrnica es suficientemente grande como para que los iones positivos resultantes puedan, por el bombardeo del ctodo, liberar un electrn secundario de la superficie del mismo que cause un nuevo proceso de avalancha. ste electrn secundario puede provenir tambin de la fotoionizacin. Si esto sucede la descarga puede auto sustentarse, es decir, puede mantenerse sin el aporte de la fuente que la origin (produjo I0). Por lo que la Ecuacin (5) representa el umbral para la descarga. Si (e *d - 1) es mayor que uno, la descarga crece muy rpidamente, es decir, el nmero de avalanchas sucesivas producidas es cada vez mayor. Si por el contrario tenemos que (e *d - 1) < 1 la descarga no se auto sustenta, es decir, que si eliminas la fuente de energa que crea I0 la descarga termina por extinguirse.

Teora de canales para la descarga elctrica en gasesLa teora sobre el mecanismo de descargas elctricas formulado por Townsend no tiene en cuenta el campo elctrico creado por los portadores de carga en el transcurso de la avalancha. La teora de canales surge para explicar algunos fenmenos de la ruptura dielctrica, que bajo ciertas condiciones de presin, la teora de Townsend no aclara satisfactoriamente. Segn Townsend la ruptura debe producirse despus del tiempo de trnsito del electrn ti, o por lo menos en ese tiempo. Sin embargo en ocasiones la ruptura tiene lugar en un tiempo inferior a ti y sin presentarse efectos secundarios o de emisin catdica. La teora de canales explica este tipo de ruptura tanto si los canales estn dirigidos al ctodo como si estn dirigidos al nodo. .