Brecha de chispa

Un espacio de chispa consiste en una disposición de dos electrodos conductores separados por un espacio normalmente lleno de un gas como el aire, diseñado para permitir que una chispa eléctrica pase entre los conductores. Cuando la diferencia de potencial entre los conductores excede el voltaje de ruptura del gas dentro del espacio, se forma una chispa que ioniza el gas y reduce drásticamente su resistencia eléctrica. A continuación, fluye una corriente eléctrica hasta que se interrumpe el camino del gas ionizado o la corriente se reduce por debajo de un valor mínimo denominado "corriente de mantenimiento". Esto generalmente sucede cuando cae el voltaje, pero en algunos casos ocurre cuando el gas calentado sube, estirando y luego rompiendo el filamento de gas ionizado. Por lo general, la acción de ionizar el gas es violenta y perturbadora, lo que a menudo genera sonido (que va desde un chasquido para una bujía hasta un trueno para la descarga de un rayo), luz y calor.

Las brechas de chispas se usaban históricamente en los primeros equipos eléctricos, como los transmisores de radio de chispas, las máquinas electrostáticas y las máquinas de rayos X. Su uso más extendido hoy en día es en bujías para encender el combustible en motores de combustión interna, pero también se utilizan en pararrayos y otros dispositivos para proteger equipos eléctricos de transitorios de alto voltaje.

Tensión de ruptura

Para el aire, la resistencia a la ruptura es de unos 30 kV/cm al nivel del mar.

Visibilidad de chispa

La luz emitida por una chispa no proviene de la corriente de electrones en sí, sino del medio material que emite fluorescencia en respuesta a las colisiones de los electrones. Cuando los electrones chocan con las moléculas de aire en el espacio, excitan sus electrones orbitales a niveles de energía más altos. Cuando estos electrones excitados vuelven a sus niveles de energía originales, emiten energía en forma de luz. Es imposible que se forme una chispa visible en el vacío. Sin materia intermedia capaz de transiciones electromagnéticas, la chispa será invisible (ver arco de vacío).

Aplicaciones

Los huecos de chispa son esenciales para el funcionamiento de una serie de dispositivos electrónicos.

Dispositivos de encendido

Una bujía utiliza un espacio de chispa para iniciar la combustión. El calor del rastro de ionización, pero lo que es más importante, la radiación ultravioleta y los electrones libres calientes (ambos causan la formación de radicales libres reactivos) encienden una mezcla de combustible y aire dentro de un motor de combustión interna o un quemador en un horno, horno o estufa.. Cuanta más radiación UV se produzca y se propague con éxito en la cámara de combustión, más avanza el proceso de combustión.

La mezcla propulsora de hidrógeno y oxígeno del motor principal del transbordador espacial se encendió con un encendedor de chispa.

Dispositivos de protección

Los espacios de chispas se utilizan con frecuencia para evitar que las sobretensiones dañen los equipos. Las vías de chispas se utilizan en interruptores de alta tensión, grandes transformadores de potencia, en centrales eléctricas y subestaciones eléctricas. Dichos interruptores están construidos con una cuchilla de conmutación grande operada a distancia con una bisagra como un contacto y dos resortes de hoja que sostienen el otro extremo como un segundo contacto. Si se abre la hoja, una chispa puede mantener la conexión entre la hoja y el resorte. La chispa ioniza el aire, que se vuelve conductor y permite que se forme un arco, que sustenta la ionización y, por lo tanto, la conducción. Una escalera de Jacob en la parte superior del interruptor hará que el arco se eleve y finalmente se apague. También se pueden encontrar pequeñas escaleras de Jacob montadas sobre aisladores cerámicos de torres de alta tensión. Estos a veces se llaman brechas de cuerno. Si alguna vez una chispa logra saltar sobre el aislador y dar lugar a un arco, se extinguirá.

Los espacios de chispas más pequeños se utilizan a menudo para proteger equipos eléctricos o electrónicos sensibles de sobretensiones. En las versiones sofisticadas de estos dispositivos (llamados pararrayos de tubo de gas), un pequeño espacio de chispas se rompe durante un pico de voltaje anormal, desviando de manera segura el pico a tierra y protegiendo así el equipo. Estos dispositivos se usan comúnmente para líneas telefónicas cuando ingresan a un edificio; las vías de chispas ayudan a proteger el edificio y los circuitos telefónicos internos de los efectos de los rayos. Se fabrican vías de chispas menos sofisticadas (y mucho menos costosas) utilizando capacitores cerámicos modificados; en estos dispositivos, el espacio de chispa es simplemente un espacio de aire aserrado entre los dos cables conductores que conectan el capacitor al circuito. Un aumento de voltaje provoca una chispa que salta de un cable conductor a otro a través del espacio dejado por el proceso de aserrado. Estos dispositivos de bajo costo se utilizan a menudo para evitar arcos dañinos entre los elementos de los cañones de electrones dentro de un tubo de rayos catódicos (CRT).

Las chispas pequeñas son muy comunes en las centralitas telefónicas, ya que los cables telefónicos largos son muy susceptibles a las sobretensiones inducidas por la caída de rayos. Los espacios de chispas más grandes se utilizan para proteger las líneas eléctricas.

Los espacios de chispas a veces se implementan en placas de circuito impreso en productos electrónicos utilizando dos trazas de PCB expuestas muy próximas entre sí. Este es un método efectivo de costo cero para agregar protección contra sobrevoltaje a los productos electrónicos.

Tonsils and tonsils are the solid-state alternatives to spark gaps for lower-power applications. Neon bulbs are also used for this purpose.

Fotografía de alta velocidad

Se utiliza un espacio de chispa activado en un flash de espacio de aire para producir destellos de luz fotográfica en el dominio de submicrosegundos.

Transmisores de radio

Una chispa irradia energía en todo el espectro electromagnético. Hoy en día, esto generalmente se considera una interferencia de radiofrecuencia ilegal y se suprime, pero en los primeros días de las comunicaciones por radio (1880-1920), este era el medio por el cual se transmitían las señales de radio, en el transmisor de chispa no modulada. Muchas vías de chispas de radio incluyen dispositivos de refrigeración, como la vía rotatoria y los disipadores de calor, ya que la vía de chispas se calienta bastante con el uso continuo a alta potencia.

Esfera entrehierro para medida de tensión

Un espacio de chispas esférico calibrado se descompone a un voltaje altamente repetible, cuando se corrige la presión del aire, la humedad y la temperatura. Un espacio entre dos esferas puede proporcionar una medición de voltaje sin componentes electrónicos o divisores de voltaje, con una precisión de alrededor del 3 %. Se puede usar un espacio de chispa para medir CA, CC o pulsos de alto voltaje, pero para pulsos muy cortos, se puede colocar una fuente de luz ultravioleta o una fuente radiactiva en uno de los terminales para proporcionar una fuente de electrones.

Dispositivos de conmutación de energía

Los espacios de chispas se pueden usar como interruptores eléctricos porque tienen dos estados con resistencia eléctrica significativamente diferente. La resistencia entre los electrodos puede ser tan alta como 10¹² ohmios cuando los electrodos están separados por gas o vacío, lo que significa que fluye poca corriente incluso cuando existe un alto voltaje entre los electrodos. La resistencia cae tan bajo como 10^-3 ohmios cuando los electrodos están conectados por plasma, lo que significa que la disipación de energía es baja incluso a alta corriente. Esta combinación de propiedades ha llevado al uso de vías de chispas como interruptores eléctricos en aplicaciones de energía pulsada donde la energía se almacena a alto voltaje en un capacitor y luego se descarga a alta corriente. Los ejemplos incluyen láseres pulsados, cañones de riel, generadores Marx, fusión, investigación de campos magnéticos pulsados ultrafuertes y activación de bombas nucleares.

Cuando una vía de chispas consta de solo dos electrodos separados por gas, la transición entre los estados conductor y no conductor se rige por la ley de Paschen. En combinaciones típicas de presión y distancia de electrodos, la ley de Paschen dice que la descarga de Townsend llenará el espacio entre los electrodos con plasma conductor siempre que la relación entre la fuerza del campo eléctrico y la presión exceda un valor constante determinado por la composición del gas.. La velocidad con la que se puede reducir la presión está limitada por el flujo obstruido, mientras que el aumento del campo eléctrico en un circuito de descarga de capacitor está limitado por la capacitancia en el circuito y la corriente disponible para cargar la capacitancia. Estas limitaciones en la velocidad con la que puede iniciarse la descarga significan que las vías de chispas con dos electrodos suelen tener una fluctuación alta.

Las descargas de chispas activadas son una clase de dispositivos con algunos medios adicionales de activación para lograr un bajo jitter. Más comúnmente, este es un tercer electrodo, como en un trigatrón. El voltaje del electrodo de disparo se puede cambiar rápidamente porque la capacitancia entre este y los otros electrodos es pequeña. En un espacio de chispa activado, la presión del gas se optimiza para minimizar la fluctuación y, al mismo tiempo, evitar la activación involuntaria. Las vías de chispas disparadas se fabrican en versiones permanentemente selladas con rango de voltaje limitado y en versiones presurizadas por el usuario con rango de voltaje proporcional al rango de presión disponible. Las descargas de chispas activadas comparten muchas similitudes con otros tubos llenos de gas, como tiratrones, krytrones, ignitrones y crossatrones.

Los huecos de vacío activados, o sprytrons, se asemejan a los huecos de chispa activados tanto en apariencia como en construcción, pero se basan en un principio operativo diferente. Un espacio de vacío disparado consta de tres electrodos en una envoltura hermética de vidrio o cerámica que ha sido evacuada. Esto significa que, a diferencia de un espacio de chispa disparado, un espacio de vacío disparado opera en el espacio de parámetros a la izquierda del mínimo de Paschen donde la ruptura es promovida por el aumento de la presión. La corriente entre los electrodos se limita a un valor pequeño por emisión de campo en el estado no conductor. La ruptura se inicia por la rápida evaporación del material de un electrodo de activación o un revestimiento resistivo adyacente. Una vez que se inicia el arco de vacío, un espacio de vacío activado se llena con plasma conductor como en cualquier otro espacio de chispa. Un espacio de vacío disparado tiene un rango de voltaje operativo más grande que un espacio de chispa disparado sellado porque las curvas de Paschen son mucho más pronunciadas a la izquierda del mínimo de Paschen que a presiones más altas. Los espacios de vacío activados también son resistentes a los rayos porque en el estado no conductor no contienen ningún gas que pueda ionizarse por radiación.

Control de insectos

También se utilizan como exterminadores de insectos. Los dos electrodos se implementan como redes metálicas colocadas un poco demasiado separadas para que el voltaje salte. Cuando un insecto se aventura entre los electrodos, el cuerpo del insecto, que es conductor, reduce la distancia de separación y se produce una descarga de chispa que electrocuta y quema al insecto.

En este uso, el mecanismo del espacio de chispas se usa a menudo junto con un cebo, como una luz, para atraer al insecto al espacio de chispas.