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 mediante emisión termoiónica o mediante emisión de campo . [1] Después del inicio, el arco se basa en 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 incandescente . 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 de arco eléctrico se utilizaba 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 , lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos ; Se han utilizado lámparas de arco de xenón 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.
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 , transmitiendo una corriente eléctrica a través de dos varillas de carbono que se tocaban y luego separándolas una corta distancia. La demostración produjo un arco "débil", que no se distingue fácilmente de una chispa sostenida , entre puntas de carbón . La Sociedad contrató una batería más potente de 1.000 placas y en 1808 demostró el arco a gran escala. [5] Se le atribuye haber nombrado el arco. [6] Lo llamó arco porque asume la forma de un arco hacia arriba cuando la distancia entre los electrodos no es pequeña. [7] 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 [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 de 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 Electrician , explicando que estos fenómenos eran el resultado del contacto del oxígeno 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 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 John leyó "El mecanismo del arco eléctrico". Perry en su lugar en 1901.
Un arco eléctrico es la forma de descarga eléctrica con mayor densidad de corriente. La corriente máxima a través de un arco está limitada únicamente por el circuito externo, no por el arco en sí.
Un arco entre dos electrodos puede iniciarse mediante ionización y descarga luminosa, cuando aumenta la corriente a través de los electrodos. El voltaje de ruptura de la separación de los electrodos es una función combinada de la presión, la distancia entre los electrodos y el tipo de gas que rodea los electrodos. Cuando se inicia un arco, su voltaje terminal es mucho menor que el de una descarga luminosa y la corriente es mayor. Un arco en gases cercanos a la presión atmosférica se caracteriza por emisión de luz visible, alta densidad de corriente y alta temperatura. Un arco se distingue de una descarga luminosa en parte por las temperaturas similares de los electrones y los iones positivos; En una descarga luminosa, los iones están mucho más fríos que los electrones.
Un arco dibujado puede iniciarse mediante dos electrodos inicialmente en contacto y separados; esto puede iniciar un arco sin la descarga luminosa 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 dada a los electrones se dispersa rápidamente hacia las partículas más pesadas mediante colisiones elásticas , debido a su gran movilidad y su 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 concentrarse 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 del ánodo de unos pocos voltios se produce 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 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 la ruptura ya no es necesaria para sostener el arco; la característica voltaje versus corriente se vuelve más cercana a 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 produce una temperatura muy alta , capaz de fundir o vaporizar la mayoría de los materiales. Un arco eléctrico es una descarga continua, mientras que una descarga de chispa eléctrica similar es momentánea. Un arco eléctrico puede ocurrir tanto en circuitos de corriente continua (DC) como en circuitos de corriente alterna (AC). 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 luminosa 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. [11]
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 luminosa [12] 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 balastro 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 iniciado, un arco consumirá más y más corriente de un suministro de voltaje fijo hasta que se destruya el aparato.
Industrialmente, los arcos eléctricos se utilizan para soldadura , corte por plasma , para mecanizado por descarga eléctrica , como lámpara de arco en proyectores de películas y focos en iluminación escénica . Los hornos de arco eléctrico se utilizan para producir acero y otras sustancias. El carburo de calcio se fabrica de esta manera porque requiere una gran cantidad de energía para promover una reacción endotérmica (a temperaturas de 2500 °C).
Las luces de arco de carbón 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 , lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos ; Las lámparas de arco de xenón se utilizan para proyectores de películas y focos teatrales.
La formación de un arco eléctrico intenso, similar a un arco eléctrico a pequeña escala , es la base de los detonadores de alambre de puente explosivo .
Se han estudiado arcos eléctricos para la 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 todavía se utiliza en aparamentas 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 sobretensiones, 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 de 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, esto se puede lograr de múltiples formas. Por ejemplo, a un explosor se le puede equipar una " escalera de Jacob ": dos cables, aproximadamente verticales pero que divergen gradualmente entre sí hacia arriba en forma de V estrecha , llamada así por la escalera de Jacob que conduce al cielo como se describe en la Biblia. 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 resolvió una falla o se activó un interruptor de derivación), el arco no se volverá a encender. El arco también se puede romper con una ráfaga de aire comprimido u otro gas.
También puede producirse un arco indeseable cuando se abre un interruptor de alto voltaje y se apaga de manera 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 llega a cero y los iones SF6 altamente electronegativos absorben rápidamente los electrones libres del plasma en descomposición. La tecnología SF6 desplazó en su mayor parte a la similar basada en aire porque se requirieron 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 viajero de alto voltaje ) es un dispositivo para producir un tren continuo de arcos eléctricos que se elevan hacia arriba. Al igual que el circuito de protección, el explosor está formado por dos cables que divergen en la parte superior.
Cuando se aplica alto voltaje al espacio, se forma una chispa en la parte inferior de los cables, donde están más cerca uno del otro, cambiando rápidamente a un arco eléctrico. El aire se descompone a unos 30 kV/cm, [13] dependiendo de la humedad, temperatura, etc. Aparte de las caídas de tensión del ánodo y del cátodo, el arco se comporta casi como un cortocircuito , consumiendo tanta corriente como la fuente de alimentación eléctrica puede entregar. , y la carga pesada reduce drásticamente el voltaje a través del espacio.
El aire ionizado calentado asciende, arrastrando consigo la trayectoria de la corriente. A medida que el rastro de ionización se hace más largo, se vuelve cada vez más inestable y finalmente se rompe. Luego, el voltaje a través de 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 violetas, que se ve a menudo en películas sobre científicos locos . El dispositivo era un elemento básico en las escuelas y ferias científicas de las décadas de 1950 y 1960, generalmente construido con una bobina de chispa 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- 15 kV) o un circuito de tubo de imagen de televisión ( transformador flyback ) (10-28 kV), y dos perchas o varillas construidas en forma de V. Para escaleras más grandes, se utilizan comúnmente transformadores de horno microondas conectados en serie, multiplicadores de voltaje [14] [15] y transformadores de postes de servicios públicos (pole pigs) conectados en reversa (elevadores).
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 entre los electrodos. El gas se convierte en plasma y guía el arco. Al construir la ruta de plasma entre los electrodos con diferentes rayos láser, el arco se puede formar en rutas 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 resultar útil en aplicaciones para enviar una chispa de electricidad a un lugar preciso. [16] [17]
Los arcos eléctricos no deseados o intencionados pueden tener efectos perjudiciales en la transmisión de energía eléctrica , los sistemas de distribución y los equipos electrónicos . Los dispositivos que pueden causar arcos 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 normalmente están diseñados para contener y extinguir un arco, y los circuitos amortiguadores 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 los equipos.
La formación de arcos no deseados en contactos eléctricos de contactores , relés e interruptores se puede reducir mediante dispositivos como supresores de arco de contacto [18] y amortiguadores RC o mediante técnicas que incluyen:
La formación de arcos también puede ocurrir 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, provocando cortocircuitos y activando dispositivos de protección ( fusibles y disyuntores ). Una situación similar puede ocurrir cuando una bombilla se funde y los fragmentos del filamento generan un arco eléctrico entre los cables dentro de la bombilla, lo que genera una sobrecorriente que dispara 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 "rastreo de carbono", que influye negativamente en sus propiedades de aislamiento. La susceptibilidad al arco, o "resistencia de la pista", se prueba según ASTM D495, mediante electrodos puntuales y arcos continuos e intermitentes; se mide en los segundos necesarios para formar una pista que sea conductora en condiciones de alta tensión y baja corriente. [19] 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 los plásticos termoestables , las resinas alquídicas y de melamina son 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 . [20]
La formación de arco sobre algunos tipos de placas de circuito impreso , posiblemente debido a grietas en las pistas o al fallo de una junta de soldadura, hace que la capa aislante afectada sea conductora a medida que el dieléctrico se quema debido a las altas temperaturas involucradas. Esta conductividad prolonga la formación de arcos debido al fallo en cascada de la superficie.
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 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 la pintura en polvo , la purificación del aire , la polarización de películas de PVDF ) y la supresión de arcos por corriente de contacto. . En el diseño industrial, militar y de electrónica de consumo, el último método generalmente se aplica a dispositivos como interruptores de potencia, relés y contactores electromecánicos. 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: entre ellos se incluyen óxidos de nitrógeno y ozono , el segundo de los cuales puede detectarse por su distintivo olor acre. Estos productos químicos pueden ser producidos por contactos de alta potencia en relés y conmutadores de motores, y son corrosivos para las superficies metálicas cercanas. Los arcos también erosionan las superficies de los contactos, desgastándolos y creando una alta resistencia de contacto cuando están cerrados. [21]
La exposición a un dispositivo que produce arco puede representar riesgos para la salud. Un arco formado en el aire ionizará el oxígeno y el nitrógeno, que luego pueden volver a formarse en moléculas reactivas como el ozono y el óxido nítrico . Estos productos pueden resultar perjudiciales para las mucosas . Las plantas también son susceptibles al envenenamiento por ozono. Estos peligros son mayores cuando el arco es continuo y en un espacio cerrado como una habitación. Un arco 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 explosores que sólo producen chispas cortas 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 daña la córnea del observador . Estos arcos sólo deben observarse a través de filtros oscuros especiales que reducen la intensidad del arco y protegen los ojos del observador de los rayos ultravioleta.