Ionizar un gas mediante la aplicación de calor

 

Con anterioridad hablamos que el aire en presencia de un campo eléctrico muy intenso se ioniza, y que este aire ionizado es un mejor conductor eléctrico. 

Bien, existen otros métodos para obtener la ionización de un gas, podríamos decir de forma generalizada que para conseguir la ionización de un átomo del elemento que sea, en este caso de un gas, es necesario proporcionarle energía. Por ejemplo, cuando hablábamos del efecto punta, esa energía para conseguir la ionización del aire la aportábamos mediante un campo eléctrico muy intenso. 

Ahora esa aportación de energía la vamos a realizar mediante la aplicación de calor. 

El experimento va a consistir en demostrar como el aire en condiciones normales no es un buen conductor eléctrico, pero si lo ionizamos aplicando calor, en este caso mediante el uso de una llama, se va a comprobar como ese aire que antes no dejaba circular una corriente eléctrica a través de él, de pronto comenzá a hacerlo. 

Este experimento se va a desarrollar de la siguiente manera, se colocarán enfrentados dos electrodos separados a una distancia que impide que salte un arco eléctrico entre ellos, en el momento en el que el aire es calentado mediante una llama se observará como el aire ahora ionizado permitirá que a través de este pueda establecerse un arco.


-tp-

Experimento con una Escalera de Jacob

Otro de los experimentos interesantes que se pueden hacer con un generador de alta tensión es un escalera de Jacob, que a pesar de su simpleza es siempre muy vistoso de contemplar. 

Básicamente consiste en dos electrodos aislados entre si dispuestos normalmente en forma de “V” de tal manera que la distancia entre electrodos es menor en la base que en la parte superior, por lo que si sometemos a ambos electrodos a una alta diferencia de potencial se establecerá un arco eléctrico por el camino que menos resistencia ofrezca, en este caso es por el lugar en el que los electrodos están más cerca, es decir por la base. 

Cuando se produce el salto del arco eléctrico (en nuestro caso de forma manual) este al estar a una alta temperatura calienta el aire que hay a su alrededor, lo que a su vez produce que el aire se ionice por lo que va a convertirse en un mejor conductor eléctrico. 

Si tenemos en cuenta que el aire caliente tiene una menor densidad que el aire frío, este aire calentado por el arco eléctrico va a elevarse así que el arco en un intento se circular por el camino que menos resistencia le ofrezca tenderá a circular a través de ese aire calentado e ionizado y como este sebe, el arco eléctrico también subirá. 

Cuando ya se encuentre el arco en la parte superior de los electrodos, al final de estos, el arco eléctrico en un intento de seguir circulando a través de ese aire caliente comenzará a estirarse por encima de los propio electrodos hasta que llega un punto en que la diferencia de potencial ya no es lo suficientemente elevada como para mantener el arco eléctrico tan estirado, por lo que este se extinguirá, para repetirse el proceso nuevamente por la parte más baja de los electrodos. 

Su construcción es muy sencilla, tan solo hace falta dos varillas cilíndricas separadas entre si y sujetas por la base mediante un material aislante, como madera en este caso, después se conectan ambos electrodos a una fuente de alta tensión y una vez que cebemos el arco por la parte inferior, este se mantendrá el solo y comenzará a ascender. -tp-

Experimento para demostrar el Efecto Punta (segunda parte)

A continuación se muestran unas imágenes de los fenómenos del efecto punta e ionización de aire en ausencia de luz ambiental. 

En estas condiciones el fenómeno de ionización alrededor de la punta es más evidente, ya que se puede ver de forma clara el halo o corona azul que se forma. 

Efecto corona alrededor de la punta

Se observa que en la punta el campo eléctrico es mucho más elevado que en el resto del conductor, prueba de ello es que el halo es más visible es esta zona. 

Cuando la ionización de aire es muy elevada, llegándose a desprender un halo como en este caso, se denomina efecto corona, aunque este fenómeno no solo consiste en la emisión de luz, también se puede manifestar en forma de zumbido, en ocasiones audible, o si la frecuencia llega a ser lo suficientemente elevada pueden presentarse emisiones de radiofrecuencia susceptibles de generar interferencias en receptores de televisión, radio...

 

-tp-

Experimento con molino electrostático impulsado con alta tensión

Este peculiar molino es accionado mediante la aplicación de una diferencia de potencial de alta tensión cuyo movimiento se explica mediante el fenómeno del efecto punta e ionización del aire.

Como ya se mencionaba con anterioridad el efecto punta consiste en que cuando a un conductor acabado en forma de punta se le somete a una alta diferencia de potencial (alta tensión en nuestro caso), la densidad de carga es más alta en estas zonas por lo que el campo eléctrico en las puntas es muy intenso.

Fenómeno de ionización del aire.

Si este campo eléctrico es lo suficientemente intenso, el aire que hay alrededor de las puntas se ionizará.

Supongamos que tenemos un conductor acabado en punta cargado positivamente, es decir posee un defecto de electrones, si se eleva el campo eléctrico de la punta hasta llegar a un nivel en el que es capaz de arrancar los electrones (como el conductor tiene falta de electrones tratará de obtenerlos de su alrededor) de los átomos que forman los diferentes gases de la atmósfera y atraerlos hacia el propio conductor, estos átomos se convertirán en iones positivos, es decir, se ionizará el aire.

Ahora como los átomos del aire se han convertido en iones positivos y la punta está cargada positivamente, ocurre que, como cargas de igual signo se repelen, aparecerá una fuerza de repulsión entre los iones positivos del aire y la propia punta.

Esta fuerza de repulsión aunque pequeña, es lo suficiente como para producir un par de fuerzas que imprimen un movimiento de rotación sobre el eje de giro del molino.

Experimento para demostrar el Efecto Punta (primera parte)

 

Este efecto se puede explicar de la siguiente manera: ocurre que en un conductor acabado en forma de arista pronunciada (en punta), la densidad de carga eléctrica es mayor en estas zonas, (esto se puede demostrar mediante el uso de un electroscopio observando que la propia densidad de carga no es uniforme en toda la superficie del conductor).

Si tenemos en cuenta la definición de densidad de carga eléctrica superficial “cantidad de carga por unidad de área, siendo esta mayor en los puntos de mayor curvatura”, que traducido viene a decir que en las zonas en las que se produce un aumento del radio de curvatura hasta formar por ejemplo una punta, la densidad de carga se hará más intensa en dicha punta, es decir, las cargas eléctricas tenderán a acumularse en los conductores eléctricos acabados precisamente en punta

Esto en qué se traduce para lo que nos interesa, pues bien, un aumento de la densidad de carga eléctrica (mayor acumulación de cargas) genera a su alrededor un campo eléctrico más elevado en la punta que en cualquier otra parte de nuestro conductor cargado.

Si el campo eléctrico llega a ser muy intenso el aire circundante a la punta se ionizará.

Este fenómeno de ionización hace que el aire sea capar de conducir mejor la electricidad, es decir disminuye la "resistencia eléctrica" del aire, de este modo se puede decir que si en la punta el campo eléctrico es más fuerte, el fenómeno de ionización será mayor en dicha punta, así que, si colocamos cerca de nuestro conductor con punta cargado por ejemplo negativamente (exceso de electrones) otro conductor (esfera) cargado positivamente (defecto de electrones) entre ellos aparecerá una diferencia de potencial y como todo cuerpo tiene a un estado eléctricamente neutro, el conductor que posee más electrones tenderá a cederlos al que menos tiene, de este modo cuando se acerquen esos conductores cargados comenzará a producirse una circulación de electrones entre ellos (corriente eléctrica) y claro esta, por dónde tenderán a circular, por el lugar que ofrezca una menor resistencia eléctrica, y ese lugar será en la punta ya que es donde se produce una mayor ionización del aire.

Este fenómeno se puede demostrar con el siguiente vídeo, en él se observa que la esfera aún desplazándose “paralela” por las inmediaciones del conductor cargado, únicamente la descarga se produce cuando se acerca a la punta a pesar de que está se encuentra a mayor distancia de la esfera, esto es debido a que como explicaba antes en la punta el efecto de ionización es más fuerte por lo que aún existiendo una misma diferencia de potencial a lo largo de todo el conductor es solo en la punta donde la resistencia del aire disminuye lo suficiente como para que el arco eléctrico pueda atravesarlo y cerrarse el circuito.

-tp-

Vista completa del montaje