Lámpara de plasma
Una bola de vidrio con gas enrarecido en la que, al encenderla, brotan del centro filamentos luminosos de colores que buscan la mano que toca el vidrio.
Qué es
Una bola de vidrio sobre una base negra. En el centro hay una bolita metálica sobre una columna, el electrodo, y el resto de la bola está lleno de una mezcla de gases nobles a presión más baja que la atmosférica (Güémez, 2016).
Al encenderla, del electrodo brotan filamentos luminosos, rosados y violetas, que llegan hasta el vidrio y se mueven sin parar. Si se apoya un dedo en el vidrio, los filamentos se juntan y van hacia él (Güémez, 2016).
Cómo funciona
1. Una tensión muy alta en el centro
Dentro de la base hay un circuito, que funciona como una pequeña bobina de Tesla, que pone el electrodo central a una tensión muy alta, de miles de voltios, que cambia de signo muy deprisa (Güémez, Fiolhais y Fiolhais, 2010; Güémez, 2016).
Esa tensión crea un campo eléctrico intenso entre el electrodo y el vidrio, capaz de acelerar los electrones libres que haya en el gas.
2. Una avalancha de electrones
Un electrón libre, acelerado por el campo, gana energía. Si al chocar con un átomo del gas lleva energía suficiente, le arranca un electrón: ya hay dos. Esos dos arrancan otros dos, y luego hay cuatro, ocho, dieciséis… Es una avalancha de electrones (Güémez, 2016).
El gas, que era aislante, se llena de electrones libres y de iones: se ha convertido en un plasma, que conduce la electricidad. Es la ruptura dieléctrica, lo mismo que pasa en una chispa o en un rayo (Güémez, 2016).
3. La luz y sus colores
Cuando los átomos recuperan sus electrones, o vuelven a su estado normal tras el choque, emiten luz. Cada gas emite unos colores característicos: por eso la mezcla de gases de la lámpara da sus tonos rosados y violetas (Güémez, 2016).
4. Por qué el gas está enrarecido
Para arrancar un electrón, el electrón acelerado tiene que recorrer suficiente camino sin chocar. En un gas enrarecido los átomos están más separados y el electrón recorre más camino entre choque y choque, así que basta un campo menor. Por eso la lámpara funciona con unos miles de voltios, cuando en el aire haría falta mucho más (Güémez, 2016).
Que la descarga forme filamentos se debe sobre todo a la presión del gas, y mucho menos a la forma del electrodo (Güémez, 2016).
Pruébalo tú
- Toca el vidrio. Apoya la yema de un dedo en la bola: los filamentos se juntan en uno más brillante que va hacia tu dedo. Tu cuerpo ofrece a la corriente un camino más fácil hacia tierra (Güémez, 2016).
- Enciende un fluorescente sin enchufarlo. Coge un tubo fluorescente por el vidrio y acércalo a la lámpara: se ilumina. Si ahora tocas la bola con la otra mano, el fluorescente se apaga: los electrones se van hacia tu dedo y llegan menos al tubo (Güémez, 2016).
- Mira los colores. A oscuras, fíjate en el color del centro y en el de las puntas de los filamentos: son los colores de los gases de dentro.
Para saber más
El calor no basta
En un gas a temperatura ambiente, la energía típica de las moléculas es del orden de $k T$, con $k = 1{,}38 \times 10^{-23}\ \mathrm{J/K}$ la constante de Boltzmann (Güémez, 2016):
- a $300\ \mathrm{K}$: $k T \approx 4{,}1 \times 10^{-21}\ \mathrm{J} \approx 0{,}026\ \mathrm{eV}$ ($1\ \mathrm{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \mathrm{J}$).
En cambio, arrancar un electrón exige la energía de ionización $W_\mathrm{i}$ (Güémez, 2016): oxígeno, $12{,}1\ \mathrm{eV}$; criptón, $14{,}0\ \mathrm{eV}$; nitrógeno, $15{,}6\ \mathrm{eV}$; argón, $15{,}8\ \mathrm{eV}$; neón, $21{,}6\ \mathrm{eV}$; helio, $24{,}6\ \mathrm{eV}$. Es cientos de veces más: los choques entre moléculas no ionizan el gas. Hace falta un campo eléctrico que acelere los electrones.
El campo de ruptura
Entre dos choques, un electrón recorre de media una distancia $l$, el recorrido libre medio. Para ionizar debe ganar en ese tramo la energía $W_\mathrm{i}$, así que el campo necesario es (Güémez, 2016)
con $r$ el radio de las moléculas y $n$ su número por unidad de volumen. Para el aire en condiciones normales, con $W_\mathrm{i} = 10\ \mathrm{eV}$ y $r = 10^{-10}\ \mathrm{m}$:
- $n \approx 2{,}4 \times 10^{25}\ \mathrm{m^{-3}}$ y $l \approx 1{,}3\ \mu\mathrm{m}$;
- $E \approx 10\ \mathrm{V} / 1{,}3\ \mu\mathrm{m} \approx 7{,}7 \times 10^{6}\ \mathrm{V/m}$, frente a los $3 \times 10^{6}\ \mathrm{V/m}$ medidos: buen orden de magnitud para un modelo tan sencillo.
El campo es proporcional a la presión: con un gas a una décima de atmósfera bastaría diez veces menos. Los experimentos dan $E \propto P^{0{,}94}$, muy cerca de esa proporcionalidad (Güémez, 2016).
Caso límite: a presiones muy bajas el modelo deja de valer. Hay tan pocos átomos que el electrón llega al vidrio sin chocar, no hay avalancha y la descarga vuelve a costar más: es la ley de Paschen.
Para leer más
- J. Güémez, C. Fiolhais y M. Fiolhais, «Juguetes en clases y demostraciones de Física», Revista Iberoamericana de Física 6(1), 45–56 (2010). PDF en la Universidad de Coimbra.
- J. Güémez, Física de juguetes y dispositivos sencillos. Lámpara de plasma, Departamento de Física Aplicada, Universidad de Cantabria (2016). Notas de clase.
Conceptos clave
- ruptura dieléctrica
- plasma
- ionización
- avalancha de electrones
- recorrido libre medio
- campo eléctrico
- alta tensión
Doctor en Física y Profesor Titular de Termodinámica Grado en Física, en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cantabria
Datos y contacto
Facultad de Ciencias. Avda. de los Castros, 48. 39005 Santander | Cantabria
DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA