Un arco eléctrico (o descarga de arco ) es una ruptura 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 , que puede producir luz visible . Una descarga de arco se inicia ya sea por emisión termoiónica o por emisión de campo . [1] Después de la iniciación, el arco depende de la emisión termoiónica de electrones de los electrodos que sostienen el arco. Una descarga de arco se caracteriza por un voltaje más bajo que una descarga luminiscente . 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 finales del siglo XIX, la iluminación con arco eléctrico se utilizaba ampliamente para el alumbrado público . Algunos arcos eléctricos de baja presión se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, se utilizan tubos fluorescentes , lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos para la iluminación; 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 , el corte por plasma y los hornos de arco eléctrico para el reciclaje de acero.
Sir Humphry Davy descubrió el arco eléctrico de pulso corto en 1800. [2] En 1801, describió el fenómeno en un artículo publicado en el Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts de William Nicholson . [3] Según la ciencia moderna, la descripción de Davy fue una chispa en lugar de un arco. [4] En el mismo año, Davy demostró públicamente el efecto, ante la Royal Society , al transmitir una corriente eléctrica a través de dos varillas de carbono que se tocaban y luego separarlas una corta distancia. La demostración produjo un arco "débil", que no se distingue fácilmente de una chispa sostenida , entre puntas de carbón . La Sociedad suscribió una batería más potente de 1000 placas, y en 1808 demostró el arco a gran escala. [5] Se le atribuye el nombre del arco. [6] Lo llamó arco porque asume la forma de un arco ascendente cuando la distancia entre los electrodos no es pequeña. [7] Esto se debe a la fuerza de flotación del gas caliente.
El primer arco continuo fue descubierto de forma independiente en 1802 y descrito en 1803 [8] como un "fluido especial con propiedades eléctricas", por Vasily V. Petrov , un científico ruso que experimentaba con una batería de cobre y zinc compuesta por 4200 discos. [8] [9]
A finales del siglo XIX, la iluminación con arco eléctrico se utilizaba ampliamente para el alumbrado público . La tendencia de los arcos eléctricos a parpadear y silbar era un problema importante. En 1895, Hertha Marks Ayrton escribió una serie de artículos para The Electrician , explicando que estos fenómenos eran el resultado del contacto del oxígeno con las barras de carbono utilizadas para crear el arco. En 1899, fue la primera mujer en leer su propio artículo ante la Institution of Electrical Engineers (IEE). Su artículo se tituló "El silbido del arco eléctrico". Poco después, Ayrton fue elegida la primera mujer miembro de la IEE; la siguiente mujer en ser admitida en la IEE fue en 1958. [10] Solicitó presentar un artículo ante la Royal Society, pero no se le permitió debido a su género, y "El mecanismo del arco eléctrico" fue leído por John Perry en su lugar en 1901.
Un arco eléctrico es la forma de descarga eléctrica con la mayor densidad de corriente. La corriente máxima que pasa por un arco está limitada únicamente por el circuito externo, no por el arco en sí.
Un arco entre dos electrodos puede iniciarse por ionización y descarga luminiscente, cuando se aumenta la corriente a través de los electrodos. La tensión de ruptura del espacio entre electrodos es una función combinada de la presión, la distancia entre electrodos y el tipo de gas que rodea a los electrodos. Cuando se inicia un arco, su tensión terminal es mucho menor que en una descarga luminiscente, y la corriente es mayor. Un arco en gases cerca de la presión atmosférica se caracteriza por la emisión de luz visible, una alta densidad de corriente y una 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 luminiscente, los iones son mucho más fríos que los electrones.
Un arco eléctrico puede iniciarse con dos electrodos que inicialmente están en contacto y luego se separan; 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 forma 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 a los contactos. [11]
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 un plasma térmico. Un plasma térmico está en equilibrio térmico; la temperatura es relativamente homogénea en todos los átomos, moléculas, iones y electrones. La energía cedida 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 en el cátodo; se pueden encontrar densidades de corriente del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado. A diferencia de una descarga luminiscente , 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. [11]
Un arco de corriente alterna de baja frecuencia (menos de 100 Hz) se parece a un arco de corriente continua; en cada ciclo, el arco se inicia por una ruptura y los electrodos intercambian sus funciones, 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 la ruptura ya no es necesaria para mantener el arco; la característica de voltaje frente a corriente se vuelve más cercana a la óhmica. [11]
Las diversas formas de los arcos eléctricos son propiedades emergentes de patrones no lineales de corriente y campo eléctrico . El arco se produce 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 fundir 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 producirse en circuitos de corriente continua (CC) o en circuitos de corriente alterna (CA). En el último caso, el arco puede volver a encenderse 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 tensión dentro del arco es baja; en el cátodo , la densidad de corriente puede ser tan alta como un megaamperio por centímetro cuadrado. [11]
Un arco eléctrico tiene una relación no lineal entre la corriente y el voltaje. Una vez que se establece el arco (ya sea por progresión a partir de una descarga luminiscente [12] o al tocar momentáneamente los electrodos y luego separarlos), el aumento de la 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 no controlados en los aparatos se vuelven tan destructivos, ya que una vez iniciado, un arco consumirá cada vez más corriente de una fuente de voltaje fijo hasta que el aparato se destruya.
En la industria, los arcos eléctricos se utilizan para la soldadura , el corte por plasma , el mecanizado por descarga eléctrica , como lámpara de arco en proyectores de cine y como focos en la 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 lámparas de arco de carbono fueron las primeras lámparas eléctricas. Se utilizaron para el alumbrado público en el siglo XIX y para aplicaciones especializadas, como reflectores, hasta la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día, los arcos eléctricos se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, los tubos fluorescentes , las lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos se utilizan para la iluminación; las lámparas de arco de xenón se utilizan para proyectores de películas y focos de teatro.
La formación de un arco eléctrico intenso, similar a un arco eléctrico a pequeña escala , es la base de los detonadores de puente explosivo .
Los arcos eléctricos se utilizan en los arcos eléctricos , una forma de propulsión eléctrica de naves espaciales.
Se utilizan en el laboratorio de espectroscopia para crear emisiones espectrales mediante el calentamiento intenso de una muestra de materia .
El arco se sigue utilizando en los cuadros de distribución de alta tensión para la protección de redes de transmisión de muy alta tensión . Para proteger una unidad (por ejemplo, un condensador en serie en una línea de transmisión) contra la sobretensión, se conecta en paralelo a la unidad un dispositivo inductor de arco, llamado descargador de chispas . Una vez que la tensión alcanza el umbral de ruptura en aire, se enciende un arco a través de la bujía y cortocircuita los terminales de la unidad, protegiéndola así de la sobretensión. Para la reinserción de una unidad, es necesario extinguir el arco, lo que se puede lograr de varias formas. Por ejemplo, se puede equipar un descargador de chispas con cuernos de arco : dos cables, aproximadamente verticales pero que se separan gradualmente entre sí hacia la parte superior en forma de V estrecha . Una vez encendido, el arco se moverá hacia arriba a lo largo de los cables y se romperá cuando la distancia entre los cables sea demasiado grande. Si el arco se extingue y la condición de activación original ya no existe (se ha resuelto una falla o se ha activado un interruptor de derivación), el arco no se volverá a encender. El arco también puede romperse mediante una ráfaga de aire comprimido u otro gas.
También puede producirse un arco indeseado cuando se abre un interruptor de alta tensión y se apaga de forma similar. Los dispositivos modernos utilizan hexafluoruro de azufre a alta presión en un flujo de boquilla entre electrodos separados dentro de un recipiente presurizado. La corriente del arco se interrumpe en el momento dentro de un ciclo de CA cuando la corriente se reduce a cero y los iones de SF6 altamente electronegativos absorben rápidamente electrones libres del plasma en descomposición. La tecnología de SF6 desplazó en gran medida a la similar basada en aire porque se necesitaban muchas unidades de soplado de aire ruidosas en serie para evitar que el arco dentro del interruptor se volviera a encender.
Una escalera de Jacob (más formalmente, un arco eléctrico de alto voltaje ) es un dispositivo para producir un tren continuo de arcos eléctricos que se elevan hacia arriba. El dispositivo recibe su nombre de la Escalera de Jacob que conduce al cielo , como se describe en la Biblia. De manera similar a los cuernos de arco, el espacio de chispa está formado por dos cables que divergen desde la base hasta la parte superior.
Cuando se aplica un alto voltaje al espacio entre cables, se forma una chispa en la parte inferior de los cables, donde están más próximos entre sí, que rápidamente se transforma en un arco eléctrico. El aire se descompone a unos 30 kV/cm, [13] dependiendo de la humedad, la temperatura, etc. Aparte de las caídas de voltaje del ánodo y el cátodo, el arco se comporta casi como un cortocircuito , ya que absorbe tanta corriente como la fuente de alimentación eléctrica puede suministrar, y la carga pesada reduce drásticamente el voltaje a través del espacio entre cables.
El aire ionizado calentado se eleva y arrastra consigo la corriente eléctrica. A medida que el rastro de ionización se hace más largo, se vuelve cada vez más inestable y finalmente se rompe. El voltaje entre los electrodos aumenta y la chispa se vuelve a formar en la parte inferior del dispositivo.
Este ciclo conduce a una exhibición de aspecto exótico de arcos eléctricos blancos, amarillos, azules o morados, que a menudo se ve en películas de terror y películas sobre científicos locos . El dispositivo era un elemento básico en las escuelas y ferias de ciencias de las décadas de 1950 y 1960, generalmente construido a partir de una bobina de chispa del Modelo T o cualquier otra fuente de alto voltaje en el rango de 10,000 a 30,000 voltios, como un transformador de letrero de neón (5 a 15 kV) o un circuito de tubo de imagen de televisión ( transformador flyback ) (10 a 28 kV), y dos perchas o varillas construidas en forma de V. Para escaleras más grandes, se utilizan comúnmente transformadores de hornos microondas conectados en serie, multiplicadores de voltaje [14] [15] y transformadores de postes de servicios públicos (pole pigs) que funcionan en reversa (elevación).
Medios relacionados con la escalera de Jacob en Wikimedia Commons
Los científicos han descubierto un método para controlar la trayectoria de un arco entre dos electrodos disparando rayos láser al gas que hay 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 puede adoptar la forma de trayectorias curvas y en forma de S. El arco también podría chocar con un obstáculo y volver a formarse al otro lado del obstáculo. La tecnología de arco guiado por láser podría ser útil en aplicaciones para enviar una chispa de electricidad a un punto preciso. [16] [17]
Los arcos eléctricos no deseados o no intencionados pueden tener efectos perjudiciales en la transmisión de energía eléctrica , los sistemas de distribución y los equipos electrónicos . Los dispositivos que pueden provocar arcos eléctricos incluyen interruptores, disyuntores, contactos de relé, fusibles y terminaciones de cables deficientes. Cuando se desconecta 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 eléctricos normalmente están diseñados para contener y extinguir un arco, y los circuitos amortiguadores pueden proporcionar una ruta para las corrientes transitorias, evitando la formación de arcos eléctricos. 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 la fusión de conductores, la destrucción del aislamiento y el incendio. Un arco eléctrico describe un evento eléctrico explosivo que presenta un peligro para las personas y el equipo.
Los arcos eléctricos no deseados en los contactos eléctricos de contactores , relés e interruptores se pueden reducir mediante dispositivos como supresores de arco de contacto [18] y amortiguadores RC o mediante técnicas que incluyen:
También se puede producir un arco eléctrico cuando se forma un canal de baja resistencia (objeto extraño, polvo conductor , humedad...) entre lugares con diferente voltaje. El canal conductor puede entonces facilitar la formación de un arco eléctrico. El aire ionizado tiene una conductividad eléctrica alta, cercana a la de los metales, y puede conducir corrientes extremadamente altas, causando un cortocircuito y haciendo saltar los dispositivos de protección ( fusibles y disyuntores ). Una situación similar puede ocurrir cuando se funde una bombilla y los fragmentos del filamento tiran de un arco eléctrico entre los cables dentro de la bombilla, lo que provoca una sobrecorriente que hace saltar los disyuntores.
Un arco eléctrico sobre la superficie de los plásticos provoca su degradación. En la trayectoria del arco tiende a formarse una pista conductora rica en carbono, denominada "pista de carbono", que influye negativamente en sus propiedades de aislamiento. La susceptibilidad al arco, o "resistencia a la pista", se prueba de acuerdo con ASTM D495, mediante electrodos puntuales y arcos continuos e intermitentes; se mide en segundos necesarios para formar una pista que sea conductora en condiciones de baja corriente y alto voltaje. [19] Algunos materiales son menos susceptibles a la degradación que otros. Por ejemplo, el politetrafluoroetileno tiene una resistencia al arco de unos 200 segundos (3,3 minutos). De los plásticos termoendurecibles , las resinas alquídicas y de melamina son mejores que las resinas fenólicas . Los polietilenos tienen una resistencia al arco de unos 150 segundos; los poliestirenos y los cloruros de polivinilo tienen una resistencia relativamente baja de unos 70 segundos. Los plásticos pueden formularse para emitir gases con propiedades de extinción de arco; estos se conocen como plásticos extintores de arco . [20]
La formación de arcos eléctricos sobre algunos tipos de placas de circuitos impresos , posiblemente debido a grietas en las pistas o a la falla de una junta de soldadura, hace que la capa aislante afectada sea conductora, ya que el dieléctrico se quema debido a las altas temperaturas involucradas. Esta conductividad prolonga la formación de arcos eléctricos debido a la falla en cascada de la superficie.
La supresión de arco es un método para intentar reducir o eliminar un arco eléctrico. Existen varias áreas posibles de uso de los métodos de supresión de arco, entre ellas la deposición y pulverización catódica de películas metálicas , la protección contra arcos eléctricos , los procesos electrostáticos en los que no se desean arcos eléctricos (como pintura en polvo , purificación de aire , polarización de películas de PVDF ) y la supresión de arco por corriente de contacto. En el diseño industrial, militar y de electrónica 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 la protección por contacto .
Parte de la energía de un arco eléctrico forma nuevos compuestos químicos a partir del aire que lo rodea: estos incluyen óxidos de nitrógeno y ozono , el segundo de los cuales puede detectarse por su distintivo olor penetrante. Estos productos químicos pueden producirse por contactos de alta potencia en relés y conmutadores de motores, y son corrosivos para las superficies metálicas cercanas. La formación de arcos eléctricos también erosiona las superficies de los contactos, desgastándolos y creando una alta resistencia de contacto cuando están cerrados. [21]
La exposición a un dispositivo que produce un arco eléctrico puede suponer riesgos para la salud. Un arco eléctrico formado en el aire ioniza el oxígeno y el nitrógeno, que luego pueden volver a formarse en moléculas reactivas como el ozono y el óxido nítrico . Estos productos pueden dañar las membranas mucosas . Las plantas también son susceptibles al envenenamiento por ozono. Estos riesgos son mayores cuando el arco eléctrico es continuo y se produce en un espacio cerrado, como una habitación. Un arco eléctrico que se produce en el exterior es menos peligroso porque los gases ionizados calentados se elevarán al aire y se disiparán en la atmósfera. Los descargadores de chispas que solo producen chispas breves de forma intermitente también son mínimamente peligrosos porque el volumen de iones generados es muy pequeño.
Los arcos también pueden producir un amplio espectro de longitudes de onda que abarcan la luz visible y el espectro ultravioleta e infrarrojo invisible. Los arcos muy intensos generados por medios como la soldadura por arco pueden producir cantidades significativas de radiación ultravioleta que dañan la córnea del observador . Estos arcos solo deben observarse a través de filtros oscuros especiales que reducen la intensidad del arco y protegen los ojos del observador de los rayos ultravioleta.