1r ciclo Ruptura dieléctrica

[The Higgs Particle]

Imaginemos un condensador de placas planas paralelas que tiene en su interior un dieléctrico que lo llena completamente (es decir, podríamos pensar en el aire entre las nubes y la tierra). Ahora el dieléctrico se rompe, ¿qué ocurre a partir de este momento? ¿El dieléctrico se recompone? ¿Puede almacenar algo de carga en su interior el condensador si lo que tiene dentro es un dieléctrico roto?

He visto en la Wikipedia que el vacío tiene 20-40 MV/m como rotura dieléctrica. ¿Cómo es posible que el vacío pueda llegar a "romperse"?

[Alriga]

Re: Ruptura dieléctrica

Lo primero, no te dejes engañar por el nombre “Ruptura dieléctrica”, no necesariamente tiene porqué romperse algo, (aunque muchas veces así sucede)

Se le llama ruptura dieléctrica a la situación que se produce cuando el campo eléctrico entre dos conductores separados por un medio aislante supera un valor crítico, produciéndose conducción eléctrica masiva cuando antes no la había.

Si eso pasa en un condensador comercial, el dieléctrico que hay entre ambas armaduras se perfora sin reparación lógica posible, ya que queda un camino conductor carbonizado entre ambas placas que impide su funcionamiento como condensador. A la basura y a sustituirlo por otro.

Entre dos nubes el proceso se inicia mediante la ionización parcial del aire entre ambas. Cuando la ionización es muy grande se produce un efecto avalancha que acaba en el relámpago, cuya onda de choque expulsa el aire de su entorno. Pero enseguida otro aire viene a sustituir al expulsado y los iones creados se recombinarán restableciendo una situación similar a la inicial, pero ahora con las nubes descargadas. No sé si a la sustitución del aire y a la recombinación es adecuado llamarle “reparación”

En el vacío. Cuando el campo eléctrico entre ambos conductores es grande los electrones de las conductores empiezan a tener movilidad suficiente como para escapar de las superficies de los mismos. Si el campo eléctrico es capaz de dotarles de suficiente energía cinética, alcanzarán la otra placa. Ese flujo de electrones desde un conductor hasta el otro es la chispa que se ve entre ambos.

Aquí el vacío no puede romperse, lo que se “rompe” son los átomos de las superficies al perder electrones, pero esos electrones pueden ser repuestos (¿reparados?) por los que aporta la batería generadora del campo eléctrico.

Todo esto es una explicación “grosso modo”, sin entrar demasiado en detalles específicos, pero espero que te sea suficiente para entender algo mejor el fenómeno.

Saludos.

[Julián]

Re: Ruptura dieléctrica

He visto en la Wikipedia que el vacío tiene 20-40 MV/m como rotura dieléctrica. ¿Cómo es posible que el vacío pueda llegar a "romperse"?

Como ha dicho Alriga, al llegar al campo de ruptura, los electrones del dieléctrico tienen la suficiente energía para escapar de los posos de potenciales que son los átomo.
Ahora bien, con respecto al vació.

Aquí el vacío no puede romperse, lo que se “rompe” son los átomos de las superficies al perder electrones, pero esos electrones pueden ser repuestos (¿reparados?) por los que aporta la batería generadora del campo eléctrico.

No estoy 100% seguro ya que jamás he "roto" el vacio (si varios capacitores) pero el "rompimiento" del vacio es un efecto cuántico. Por ejemplo, en una válvula de vacio se da un flujo eléctrico, como tu dices alriga, pero se aplican tensiones de 300 V entre electrodos, calentados si, a una distancia de pocos centímetros que no alcanza ni de casualidad los 1MV/cm.

En el caso de la válvula de vacio al aplicarle temperatura al cátodo, los electrones del último nivel energético, que son electrones de conducción, aumentan todabía más la energía potencial con respecto al cristal del cátodo de manera tal que la nube electrónica "aumenta de volumen" y al aplicarse una diferencia de potencial grande entre cátodo y ánodo, la nube electrónica alcanza al ánodo. Por lo tanto si integramos el cuadrado del módulo de la función de onda en el volumen tenemos probabilidad de encontrar a los electrones en la mitad de la válvula y en la cercanía del ánodo. La rejilla sirve de "lupa" electrónica que modifica las densidades electrónicas.

Ahora bien, volviendo a un vació, dicho efecto anterior de que la nube electrónica alcanzará el ánodo dependería del material de los electrodos, su geometría y de la temperatura de los mismo. Por lo que no tendría sentido dar una tensión de ruptura. A menos que, tengamos un mecanismo cuántico que explique el hecho.

[Alriga]

Re: Ruptura dieléctrica

En efecto, un truco para hacer circular una corriente de electrones entre dos conductores en el vacío sin que sea necesario un campo eléctrico enorme es calentar uno de los conductores, como dice Julián.

Además de en las válvulas de vacío, una aplicación utilísima de este principio ha sido el tubo de rayos catódicos CRT, que ha sido prácticamente casi el único medio de monitorización masivo durante 50 años, hasta los plasmas y TFTs de hace apenas 15 años.

En el extremo delgado del interior del tubo de vacío se coloca el filamento, que es una vulgar resistencia. Se alimenta el filamento con una tensión de 6.3 Vrms que genera una corriente de 310 mArms, suficiente para llevar el filamento a la incandescencia.

Entonces con un cátodo alimentado a unos +180Vdc típicos, (situado cerca del filamento), se arrancan de éste electrones con facilidad, debido a la alta energía cinética de vibración que ya tienen los electrones a causa de la alta temperatura.

El cátodo es un aro cilíndrico metálico que permite a algunos electrones pasar por su interior y continuar en línea recta. Para evitar que se frenen y regresen al cátodo, se instala una reja conductora llamada G2 (Grid 2) alimentada a unos +1.200 V que “estira” de los electrones, los colima e incrementa su velocidad en el mismo sentido que tenían cuando han salido del cátodo. Una tercera reja alimentada a unos +8.000 Vdc situada más adelante que se llama electrodo de enfoque, colima y acelera aún más el haz de electrones, que llega a gran velocidad al final del cuello estrecho del tubo de vacío.

En ese final del cuello, pero en el exterior del tubo de vacío, se sitúan las bobinas deflectoras cuya misión es crear un campo magnético controlado que desvíe el haz de electrones hacia el punto de la pantalla con el que deban colisionar en ese momento. Para evitar que los electrones “vuelvan hacia atrás”, junto a la pantalla por el interior y en el vacío se sitúa el ánodo, alimentado a unos +25.000 Vdc. La corriente típica de electrones que llegan al ánodo cuando la pantalla es brillante, es de 1 mA, por lo que la potencia típica del haz de electrones es de $25 \ kV \times 1 \ mA = 25 \ W$

Los electrones chocan contra los fósforos situados en el interior de la pantalla, generando fotones en el punto de impacto, son esos fotones los que llegan a nuestros ojos cuando vemos la imagen en la pantalla.

Así es grosso modo, como hemos visto la televisión, desde 1950 hasta el 2005 más o menos.

Y muchos de esos televisores han durado 20 años sin “ruptura” y con un haz de electrones circulando por su tubo de vacío durante muchas horas al día.

Saludos.

[Julián]

Re: Ruptura dieléctrica

Tengo el presentimiento (quizás algún físico nos ayude Alriga) que la ruptura del vació se debe al acoplamiento entre las partículas virtuales debido a la elevada densidad energética que como priori, es el factor a considerar y no el valor del campo eléctrico solamente, ya que además del campo eléctrico se debe considerar los electrodos, etc.
Igual no estoy seguro ya que no conozco quien ha hecho esas pruebas, sin lugar a dudas los ing. eléctrico, electromecánicos es algo que no se tienen en cuenta ya que las instalaciones de alta tensión son en la tierra y antes de romperse el vacio se va a romper el aire. Por eso lo desconozco.

[Alriga]

Re: Ruptura dieléctrica

.. Tengo el presentimiento ... que la ruptura del vacio se debe al acoplamiento entre las partículas virtuales debido a la elevada densidad energética que como priori, ...

Yo lo veo sencillo. En el tema del que estamos hablando los tres, (THP, tú y yo), no hay "ninguna rotura de vacío" ni cosa rara parecida que requiera complicadas explicaciones cuánticas. Creo que todo ha sido un malentendido lingüístico, ya que el fenómeno de la circulación de electrones por tubos de vacío se explica de forma clásica y sencilla tal como lo hemos explicado tu y yo: agitación térmica de los electrones de la superficie del conductor + arranque y aceleración de los mismos mediante un campo eléctrico. Ningún misterio y ninguna "rotura cuántica del vacío", todo muy clásico.

Creo que el término "rotura dieléctrica" nos ha llevado sin ningún motivo a la confusión de aplicar el término "rotura del vacío" sin venir a cuento en este tipo de fenómenos.

Bueno, al menos así lo veo yo, saludos Julián.