Una chispa eléctrica es una descarga eléctrica repentina que se produce cuando un campo eléctrico suficientemente alto crea un canal ionizado , eléctricamente conductor, a través de un medio normalmente aislante, a menudo aire u otros gases o mezclas de gases. Michael Faraday describió este fenómeno como "el hermoso destello de luz que acompaña a la descarga de electricidad común". [1]
La rápida transición de un estado no conductor a uno conductor produce una breve emisión de luz y un chasquido agudo. Se crea una chispa cuando el campo eléctrico aplicado supera la resistencia de ruptura dieléctrica del medio intermedio. En el caso del aire, la resistencia de ruptura es de unos 30 kV/cm a nivel del mar. [2] Experimentalmente, esta cifra tiende a variar en función de la humedad, la presión atmosférica, la forma de los electrodos (aguja y plano de tierra, hemisféricos, etc.) y el espaciado correspondiente entre ellos e incluso el tipo de forma de onda, ya sea sinusoidal o coseno-rectangular.
En las etapas iniciales, los electrones libres en el espacio (de los rayos cósmicos o la radiación de fondo ) son acelerados por el campo eléctrico, lo que da como resultado una avalancha de Townsend . A medida que chocan con las moléculas de aire, crean iones adicionales y electrones recién liberados que también se aceleran. En algún momento, la energía térmica proporcionará una fuente mucho mayor de iones. Los electrones e iones que aumentan exponencialmente rápidamente hacen que las regiones del aire en el espacio se vuelvan eléctricamente conductoras en un proceso llamado ruptura dieléctrica . Una vez que el espacio se rompe, el flujo de corriente está limitado por la carga disponible (para una descarga electrostática ) o por la impedancia de la fuente de alimentación externa . Si la fuente de alimentación continúa suministrando corriente, la chispa evolucionará hacia una descarga continua llamada arco eléctrico . Una chispa eléctrica también puede ocurrir dentro de líquidos o sólidos aislantes, pero con diferentes mecanismos de ruptura de las chispas en los gases.
A veces, las chispas pueden ser peligrosas. Pueden provocar incendios y quemaduras en la piel.
El rayo es un ejemplo de chispa eléctrica en la naturaleza, mientras que las chispas eléctricas, grandes o pequeñas, ocurren en o cerca de muchos objetos creados por el hombre, tanto por diseño como a veces por accidente.
En 1671, Leibniz descubrió que las chispas estaban asociadas con fenómenos eléctricos. [3] En 1708, Samuel Wall realizó experimentos con ámbar frotado con un paño para producir chispas. [4] En 1752, Thomas-François Dalibard , actuando sobre un experimento propuesto por Benjamin Franklin , dispuso que un dragón francés retirado llamado Coiffier en el pueblo de Marly recogiera rayos en un frasco de Leyden [5] demostrando así que los rayos y la electricidad son lo mismo. En el famoso experimento de la cometa de Franklin , extrajo con éxito chispas de una nube durante una tormenta eléctrica.
Las chispas eléctricas se utilizan en las bujías de los motores de combustión interna de gasolina para encender las mezclas de combustible y aire. [6] La descarga eléctrica en una bujía se produce entre un electrodo central aislado y un terminal conectado a tierra en la base de la bujía. El voltaje para la chispa lo proporciona una bobina de encendido o magneto que está conectada a la bujía con un cable aislado.
Los encendedores de llama utilizan chispas eléctricas para iniciar la combustión en algunos hornos y estufas de gas en lugar de una llama piloto . [7] El reencendido automático es una característica de seguridad que se utiliza en algunos encendedores de llama que detecta la conductividad eléctrica de la llama y utiliza esta información para determinar si la llama de un quemador está encendida. [8] Esta información se utiliza para evitar que un dispositivo de encendido produzca chispas después de que se enciende la llama o para reiniciar la llama si se apaga.
Un transmisor de chispa utiliza una chispa eléctrica para generar radiación electromagnética de radiofrecuencia que puede usarse como transmisor para comunicación inalámbrica . [9] Los transmisores de chispa se usaron ampliamente en las primeras tres décadas de la radio , de 1887 a 1916. Luego fueron reemplazados por sistemas de tubos de vacío y en 1940 ya no se usaban para comunicación. El uso generalizado de transmisores de chispa dio lugar al apodo de "chispas" para el oficial de radio de un barco.
Las chispas eléctricas se utilizan en distintos tipos de metalistería . El mecanizado por descarga eléctrica (EDM) a veces se denomina mecanizado por chispa y utiliza una descarga de chispa para eliminar material de una pieza de trabajo. [10] El mecanizado por descarga eléctrica se utiliza para metales duros o aquellos que son difíciles de mecanizar con técnicas tradicionales.
La sinterización por plasma de chispa (SPS) es una técnica de sinterización que utiliza una corriente continua pulsada que pasa a través de un polvo conductor en una matriz de grafito . [11] La SPS es más rápida que el prensado isostático en caliente convencional , donde el calor es proporcionado por elementos de calentamiento externos .
La luz que se produce por chispas eléctricas se puede recoger y utilizar para un tipo de espectroscopia llamada espectroscopia de emisión de chispas . [12]
Se puede utilizar un láser pulsado de alta energía para producir una chispa eléctrica. La espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) es un tipo de espectroscopia de emisión atómica que utiliza un láser de alta energía de pulso para excitar los átomos de una muestra. La LIBS también se ha denominado espectroscopia de chispa láser (LSS). [13]
Las chispas eléctricas también se pueden utilizar para crear iones para espectrometría de masas . [14] La descarga de chispas también se ha aplicado en la detección electroquímica a través de la modificación de la superficie in situ de electrodos de carbono serigrafiados desechables (SPE) con varias fuentes de metal y carbono. [15] [16] [17] [18] [19]
Las chispas pueden ser peligrosas para las personas, los animales o incluso los objetos inanimados. Las chispas eléctricas pueden encender materiales, líquidos, gases y vapores inflamables. Incluso las descargas estáticas involuntarias o las pequeñas chispas que se producen al encender luces u otros circuitos pueden ser suficientes para encender vapores inflamables de fuentes como gasolina, acetona, propano o concentraciones de polvo en el aire, como las que se encuentran en los molinos de harina o, de manera más general, en las fábricas que manipulan polvos. [20] [21]
Las chispas suelen indicar la presencia de un alto voltaje o "campo potencial". Cuanto mayor sea el voltaje, más lejos puede saltar una chispa a través de un espacio y, con suficiente energía suministrada, puede provocar descargas mayores, como un resplandor o un arco . Cuando una persona está cargada con cargas estáticas de alto voltaje o está en presencia de suministros eléctricos de alto voltaje, una chispa puede saltar entre un conductor y una persona que se encuentra lo suficientemente cerca, lo que permite la liberación de energías mucho más altas que pueden causar quemaduras graves, paralizar el corazón y los órganos internos o incluso convertirse en un arco eléctrico .
Las chispas de alto voltaje, incluso las de baja energía, como las de una pistola eléctrica , pueden sobrecargar las vías conductoras del sistema nervioso, provocando contracciones musculares involuntarias o interfiriendo en funciones vitales del sistema nervioso, como el ritmo cardíaco. Cuando la energía es lo suficientemente baja, la mayor parte puede utilizarse simplemente para calentar el aire, por lo que la chispa nunca se estabiliza por completo en un resplandor o arco. Sin embargo, las chispas con muy baja energía aún producen un "túnel de plasma" a través del aire, por el que puede pasar la electricidad. Este plasma se calienta a temperaturas a menudo superiores a la superficie del Sol y puede causar pequeñas quemaduras localizadas. A menudo se utilizan líquidos, geles o ungüentos conductores cuando se aplican electrodos al cuerpo de una persona, lo que evita que se formen chispas en el punto de contacto y dañen la piel. De manera similar, las chispas pueden dañar los metales y otros conductores, ablacionando o picando la superficie; un fenómeno que se explota en el grabado eléctrico . Las chispas también producen ozono que, en concentraciones suficientemente altas, puede causar malestar o dificultad respiratoria, picazón o daño tisular, y puede ser dañino para otros materiales como ciertos plásticos. [22] [23]
