Un arco eléctrico , o descarga de arco , es una avería eléctrica de un gas que produce una descarga eléctrica prolongada . La corriente a través de un medio normalmente no conductor como el aire produce un plasma ; el plasma puede producir luz visible . Una descarga de arco se caracteriza por un voltaje más bajo que una descarga de incandescencia y se basa en la emisión termoiónica de electrones de los electrodos que sostienen el arco. Un término arcaico es arco voltaico , como se usa en la frase "lámpara de arco voltaico".
Se pueden utilizar técnicas de supresión de arco para reducir la duración o la probabilidad de formación de arco.
A fines del siglo XIX, la iluminación de arco eléctrico se usaba ampliamente para el alumbrado público . Algunos arcos eléctricos de baja presión se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, para la iluminación se utilizan tubos fluorescentes , mercurio, sodio y lámparas de halogenuros metálicos ; Las lámparas de arco de xenón se han utilizado para proyectores de películas . Los arcos eléctricos se pueden utilizar para procesos de fabricación, como la soldadura por arco eléctrico y los hornos de arco eléctrico para el reciclaje de acero.
Historia [ editar ]
Sir Humphry Davy descubrió el arco eléctrico de pulso corto en 1800. [1] En 1801, describió el fenómeno en un artículo publicado en el Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts de William Nicholson . [2] Según la ciencia moderna, la descripción de Davy fue más una chispa que un arco. [3] En el mismo año, Davy demostró públicamente el efecto, ante la Royal Society , transmitiendo una corriente eléctrica a través de dos varillas de carbono que se tocaron y luego separándolas una corta distancia. La demostración produjo un arco "débil", que no se distingue fácilmente de una chispa sostenida , entrepuntos de carbón . La Sociedad se suscribió a una batería más potente de 1.000 placas, y en 1808 demostró el arco a gran escala. [4] Se le atribuye el nombre del arco. [5] Lo llamó arco porque asume la forma de un arco hacia arriba cuando la distancia entre los electrodos no es pequeña. [6] Esto se debe a la fuerza de flotación sobre el gas caliente.
El primer arco continuo fue descubierto de forma independiente en 1802 y descrito en 1803 [7] como un "fluido especial con propiedades eléctricas", por Vasily V. Petrov , un científico ruso que experimenta con una batería de cobre y zinc que consta de 4200 discos. [7] [8]
A finales del siglo XIX, la iluminación de arco eléctrico se utilizaba ampliamente para el alumbrado público . La tendencia de los arcos eléctricos a parpadear y silbar fue un problema importante. En 1895, Hertha Marks Ayrton escribió una serie de artículos para Electrician , explicando que estos fenómenos eran el resultado de que el oxígeno entrara en contacto con las varillas de carbono utilizadas para crear el arco. En 1899, fue la primera mujer en leer su propio artículo ante la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su artículo se tituló "El silbido del arco eléctrico". Poco después, Ayrton fue elegida la primera mujer miembro de la EEI; la siguiente mujer en ser admitida en la EEI fue en 1958. [9] Solicitó presentar un artículo ante la Royal Society, pero no se le permitió debido a su género, y John Perry leyó en su lugar en 1901 "El mecanismo del arco eléctrico".
Resumen [ editar ]
Un arco eléctrico es la forma de descarga eléctrica con la mayor densidad de corriente. La corriente máxima a través de un arco está limitada solo por el circuito externo, no por el arco en sí.
Un arco entre dos electrodos puede iniciarse por ionización y descarga luminiscente, cuando se incrementa la corriente a través de los electrodos. El voltaje de ruptura del espacio entre electrodos es una función combinada de la presión, la distancia entre los electrodos y el tipo de gas que rodea a los electrodos. Cuando se inicia un arco, su voltaje terminal es mucho menor que una descarga incandescente y la corriente es mayor. Un arco en gases cerca de la presión atmosférica se caracteriza por la emisión de luz visible, alta densidad de corriente y alta temperatura. Un arco se distingue de una descarga luminiscente en parte por las temperaturas similares de los electrones y los iones positivos; en una descarga luminosa, los iones son mucho más fríos que los electrones.
Un arco dibujado puede ser iniciado por dos electrodos inicialmente en contacto y separados; esto puede iniciar un arco sin la descarga luminiscente de alto voltaje. Esta es la forma en que un soldador comienza a soldar una unión, tocando momentáneamente el electrodo de soldadura contra la pieza de trabajo y luego retirándolo hasta que se forme un arco estable. Otro ejemplo es la separación de contactos eléctricos en interruptores, relés o disyuntores; en circuitos de alta energía, puede ser necesaria la supresión del arco para evitar daños en los contactos. [10]
La resistencia eléctrica a lo largo del arco eléctrico continuo crea calor, que ioniza más moléculas de gas (donde el grado de ionización está determinado por la temperatura), y según esta secuencia: sólido-líquido-gas-plasma; el gas se convierte gradualmente en plasma térmico. Un plasma térmico está en equilibrio térmico; la temperatura es relativamente homogénea en todos los átomos, moléculas, iones y electrones. La energía dada a los electrones se dispersa rápidamente a las partículas más pesadas por colisiones elásticas , debido a su gran movilidad y gran número.
La corriente en el arco se mantiene mediante la emisión termoiónica y la emisión de campo de electrones en el cátodo. La corriente puede estar concentrada en un punto caliente muy pequeño del cátodo; Se pueden encontrar densidades de corriente del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado. A diferencia de una descarga luminosa , un arco tiene una estructura poco discernible, ya que la columna positiva es bastante brillante y se extiende casi hasta los electrodos en ambos extremos. La caída del cátodo y la caída del ánodo de unos pocos voltios ocurren dentro de una fracción de milímetro de cada electrodo. La columna positiva tiene un gradiente de voltaje más bajo y puede estar ausente en arcos muy cortos. [10]
Un arco de corriente alterna de baja frecuencia (menos de 100 Hz) se asemeja a un arco de corriente continua; en cada ciclo, el arco se inicia por ruptura, y los electrodos intercambian roles, como ánodo o cátodo, cuando la corriente se invierte. A medida que aumenta la frecuencia de la corriente, no hay tiempo suficiente para que toda la ionización se disperse en cada medio ciclo y ya no es necesaria la ruptura para mantener el arco; la característica de voltaje frente a corriente se vuelve casi óhmica. [10]
Las diversas formas de los arcos eléctricos son propiedades emergentes de patrones no lineales de corriente y campo eléctrico . El arco ocurre en el espacio lleno de gas entre dos electrodos conductores (a menudo hechos de tungsteno o carbono) y da como resultado una temperatura muy alta , capaz de derretir o vaporizar la mayoría de los materiales. Un arco eléctrico es una descarga continua, mientras que la descarga de chispa eléctrica similar es momentánea. Un arco eléctrico puede ocurrir en circuitos de corriente continua (CC) o en corriente alterna.(CA) circuitos. En el último caso, el arco puede volver a iniciarse en cada medio ciclo de la corriente. Un arco eléctrico se diferencia de una descarga luminiscente en que la densidad de corriente es bastante alta y la caída de voltaje dentro del arco es baja; en el cátodo , la densidad de corriente puede llegar a un megaamperio por centímetro cuadrado. [10]
Un arco eléctrico tiene una relación no lineal entre corriente y voltaje. Una vez que se establece el arco (ya sea por progresión de una descarga luminiscente [11] o tocando momentáneamente los electrodos y luego separándolos), el aumento de corriente da como resultado un voltaje más bajo entre los terminales del arco. Este efecto de resistencia negativa requiere que se coloque alguna forma positiva de impedancia (como un balasto eléctrico ) en el circuito para mantener un arco estable. Esta propiedad es la razón por la que los arcos eléctricos incontrolados en los aparatos se vuelven tan destructivos, ya que una vez iniciados, un arco extraerá más y más corriente de un suministro de voltaje fijo hasta que se destruya el aparato.
Usos [ editar ]
Industrialmente, los arcos eléctricos se utilizan para soldadura , corte por plasma , mecanizado por descarga eléctrica , como lámpara de arco en proyectores de películas y puntos de seguimiento en iluminación de escenarios . Los hornos de arco eléctrico se utilizan para producir acero y otras sustancias. El carburo de calcio se fabrica de esta manera, ya que requiere una gran cantidad de energía para promover una reacción endotérmica (a temperaturas de 2500 ° C).
Las luces de arco de carbono fueron las primeras luces eléctricas. Se utilizaron para alumbrado público en el siglo XIX y para aplicaciones especializadas como reflectores hasta la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día, los arcos eléctricos de baja presión se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, para la iluminación se utilizan tubos fluorescentes , mercurio, sodio y lámparas de halogenuros metálicos ; Las lámparas de arco de xenón se utilizan para proyectores de películas.
Formación de un arco eléctrico intenso, similar a una pequeña escala de arco eléctrico , es la base de detonadores explosión-puente de ignición .
Una importante aplicación restante es la aparamenta de alta tensión para redes de transmisión de alta tensión. Los dispositivos modernos utilizan hexafluoruro de azufre a alta presión en un flujo de boquilla entre electrodos separados dentro de un recipiente a presión. La corriente de falla de CA se interrumpe en la corriente cero por los iones SF6 altamente electronegativos que absorben electrones libres del plasma en descomposición. Una tecnología similar basada en aire ha sido reemplazada en gran medida porque se requerían muchas unidades ruidosas en serie para evitar que la corriente se vuelva a encender en condiciones similares de superredes.
Se han estudiado los arcos eléctricos para la propulsión eléctrica de naves espaciales.
Se utilizan en el laboratorio para espectroscopia para crear emisiones espectrales mediante el calentamiento intenso de una muestra de materia .
Guiando el arco [ editar ]
Los científicos han descubierto un método para controlar la trayectoria de un arco entre dos electrodos disparando rayos láser al gas entre los electrodos. El gas se convierte en plasma y guía el arco. Al construir la trayectoria del plasma entre los electrodos con diferentes rayos láser, el arco se puede formar en trayectorias curvas y en forma de S. El arco también podría chocar contra un obstáculo y reformarse al otro lado del obstáculo. La tecnología de arco guiado por láser podría ser útil en aplicaciones para entregar una chispa de electricidad a un lugar preciso. [12] [13]
Arco no deseado [ editar ]
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Los arcos eléctricos no deseados o no deseados pueden tener efectos perjudiciales en la transmisión de energía eléctrica , los sistemas de distribución y los equipos electrónicos . Los dispositivos que pueden causar arco incluyen interruptores, disyuntores, contactos de relé, fusibles y terminaciones de cables deficientes. Cuando se apaga un circuito inductivo , la corriente no puede saltar instantáneamente a cero: se formará un arco transitorio a través de los contactos de separación. Los dispositivos de conmutación susceptibles a la formación de arcos normalmente están diseñados para contener y extinguir un arco y amortiguadores.Los circuitos pueden proporcionar un camino para corrientes transitorias, evitando la formación de arcos. Si un circuito tiene suficiente corriente y voltaje para sostener un arco formado fuera de un dispositivo de conmutación, el arco puede causar daños al equipo, como fusión de conductores, destrucción del aislamiento e incendio. Un arco eléctrico describe un evento eléctrico explosivo que presenta un peligro para las personas y el equipo.
Los arcos no deseados en los contactos eléctricos de los contactores , relés e interruptores pueden reducirse mediante dispositivos como supresores de arco de contacto [14] y amortiguadores RC o mediante técnicas que incluyen:
- inmersión en aceite de transformador , gas dieléctrico o vacío
- toboganes de arco
- reventones magnéticos
- reventones neumáticos
- contactos de sacrificio ("arco")
- Materiales de amortiguación para absorber la energía del arco, ya sea térmicamente o mediante descomposición química.
La formación de arco también puede ocurrir cuando se forma un canal de baja resistencia (objeto extraño, polvo conductor , humedad ...) entre lugares con diferente voltaje. Entonces, el canal conductor puede facilitar la formación de un arco eléctrico. El aire ionizado tiene una alta conductividad eléctrica cercana a la de los metales y puede conducir corrientes extremadamente altas, provocando un cortocircuito y disparando los dispositivos de protección ( fusibles y disyuntores ). Una situación similar puede ocurrir cuando una bombilla se quema y los fragmentos del filamento generan un arco eléctrico entre los cables dentro de la bombilla, lo que genera una sobrecorriente que dispara los interruptores.
Un arco eléctrico sobre la superficie de los plásticos provoca su degradación. Una pista conductora rica en carbono tiende a formarse en la trayectoria del arco, llamada "seguimiento de carbono", lo que influye negativamente en sus propiedades de aislamiento. La susceptibilidad al arco, o "resistencia a la trayectoria", se prueba de acuerdo con ASTM D495, mediante electrodos puntuales y arcos continuos e intermitentes; se mide en los segundos necesarios para formar una pista conductora en condiciones de alta tensión y baja corriente. [15] Algunos materiales son menos susceptibles a la degradación que otros. Por ejemplo, el politetrafluoroetileno tiene una resistencia al arco de aproximadamente 200 segundos (3,3 minutos). De plásticos termoendurecibles , alquídicas y resinas de melaminason mejores que las resinas fenólicas . Los polietilenos tienen una resistencia al arco de aproximadamente 150 segundos; los poliestirenos y los cloruros de polivinilo tienen una resistencia relativamente baja de aproximadamente 70 segundos. Los plásticos pueden formularse para emitir gases con propiedades de extinción de arcos; estos se conocen como plásticos extintores de arco . [dieciséis]
La formación de arco sobre algunos tipos de placas de circuito impreso , posiblemente debido a grietas en las huellas o la falla de una soldadura, hace que la capa aislante afectada sea conductora ya que el dieléctrico se quema debido a las altas temperaturas involucradas. Esta conductividad prolonga el arco debido a fallas en cascada de la superficie.
Supresión de arco [ editar ]
La supresión de arco es un método para intentar reducir o eliminar un arco eléctrico. Hay varias áreas posibles de uso de los métodos de supresión de arco, entre ellos , deposición y pulverización catódica de películas metálicas , protección contra arco eléctrico , procesos electrostáticos donde no se desean arcos eléctricos (como pintura en polvo , purificación de aire , pulido de película de PVDF ) y supresión de arco de corriente de contacto. . En el diseño electrónico industrial, militar y de consumo, el último método se aplica generalmente a dispositivos como interruptores de potencia electromecánicos, relés y contactores. En este contexto, la supresión de arco utiliza protección de contacto .
Parte de la energía de un arco eléctrico forma nuevos compuestos químicos a partir del aire que rodea el arco: estos incluyen óxidos de nitrógeno y ozono , el segundo de los cuales puede detectarse por su distintivo olor penetrante. Estos productos químicos pueden ser producidos por contactos de alta potencia en relés y conmutadores de motor, y son corrosivos para las superficies metálicas cercanas. La formación de arco también erosiona las superficies de los contactos, los desgasta y crea una alta resistencia al contacto cuando están cerrados. [17]
Ver también [ editar ]
- Transmisor de arco
- Lista de fuentes de luz
- Generador de marx
- Espacio de chispa
- Arco de vacío
- Ley de Paschen
Referencias [ editar ]
- ^ A. Anders (2003). "Rastreando el origen de la ciencia del plasma de arco-II. Descargas continuas tempranas" (PDF) . Transacciones IEEE sobre ciencia del plasma . 31 (5): 1060–9. Código Bibliográfico : 2003ITPS ... 31.1060A . doi : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
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- ^ "Nota de laboratorio # 106 Impacto ambiental de la supresión del arco " . Tecnologías de supresión de arco. Abril de 2011 . Consultado el 10 de octubre de 2011 .
Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Arco eléctrico . |
- Vídeos "Arcos y chispas de alto voltaje" de 230 kV trifásico "Escalera Jacobs" y arco de potencia involuntario de 500 kV
- Calculadora de espacio de arco de alto voltaje para calcular la longitud de un arco conociendo el voltaje o viceversa
