En electrónica , la ruptura eléctrica o ruptura dieléctrica es un proceso que ocurre cuando un material eléctricamente aislante (un dieléctrico ), sometido a un voltaje suficientemente alto , de repente se convierte en conductor y la corriente fluye a través de él. Todos los materiales aislantes se rompen cuando el campo eléctrico causado por un voltaje aplicado excede la rigidez dieléctrica del material . El voltaje al que un objeto aislante determinado se vuelve conductor se llama voltaje de ruptura y, además de su rigidez dieléctrica, depende de su tamaño y forma, y de la ubicación en el objeto al que se aplica el voltaje. Bajo suficiente voltaje , pueden ocurrir fallas eléctricas dentro de sólidos , líquidos o gases (y, en teoría, incluso en el vacío ). Sin embargo, los mecanismos de descomposición específicos son diferentes para cada tipo de medio dieléctrico.
La avería eléctrica puede ser un evento momentáneo (como en una descarga electrostática ) o puede provocar un arco eléctrico continuo si los dispositivos de protección no logran interrumpir la corriente en un circuito de alimentación. En este caso, una avería eléctrica puede provocar fallos catastróficos en los equipos eléctricos y riesgos de incendio .
La corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas eléctricamente en un material causado por un campo eléctrico , generalmente creado por un voltaje a través del material. Las partículas cargadas móviles que forman una corriente eléctrica se llaman portadores de carga . En diferentes sustancias, diferentes partículas sirven como portadores de carga: en los metales y algunos otros sólidos, algunos de los electrones externos de cada átomo ( electrones de conducción ) pueden moverse en el material; en los electrolitos y el plasma son los iones , los átomos o moléculas cargados eléctricamente y los electrones los portadores de carga. Un material que tiene una alta concentración de portadores de carga disponibles para la conducción, como un metal , conducirá una gran corriente con un campo eléctrico determinado y, por lo tanto, tiene una resistividad eléctrica baja ; esto se llama conductor eléctrico . [1] Un material que tiene pocos portadores de carga, como el vidrio o la cerámica, conducirá muy poca corriente con un campo eléctrico determinado y tiene una alta resistividad; esto se llama aislante eléctrico o dieléctrico . Toda la materia está compuesta de partículas cargadas, pero la propiedad común de los aislantes es que las cargas negativas, los electrones orbitales, están estrechamente unidas a las cargas positivas, los núcleos atómicos , y no pueden liberarse fácilmente para volverse móviles.
Sin embargo, cuando se aplica un campo eléctrico lo suficientemente grande a cualquier sustancia aislante, a una determinada intensidad de campo, el número de portadores de carga en el material aumenta repentinamente en muchos órdenes de magnitud, por lo que su resistencia cae y se convierte en un conductor. [1] Esto se llama avería eléctrica . El mecanismo físico que causa la descomposición difiere en diferentes sustancias. En un sólido, generalmente ocurre cuando el campo eléctrico se vuelve lo suficientemente fuerte como para alejar los electrones de valencia externos de sus átomos, por lo que se vuelven móviles y el calor creado por sus colisiones con otros átomos libera electrones adicionales. En un gas, el campo eléctrico acelera la pequeña cantidad de electrones libres presentes naturalmente (debido a procesos como la fotoionización y la desintegración radiactiva ) a una velocidad lo suficientemente alta como para que cuando chocan con las moléculas del gas, les quiten electrones adicionales, lo que se llama ionización , lo que continúa ionizando más moléculas creando más electrones e iones libres en una reacción en cadena llamada descarga de Townsend . Como indican estos ejemplos, en la mayoría de los materiales la descomposición se produce mediante una rápida reacción en cadena en la que las partículas cargadas móviles liberan partículas cargadas adicionales.
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La intensidad del campo eléctrico (en voltios por metro) a la que se produce la ruptura es una propiedad intrínseca del material aislante llamada rigidez dieléctrica . El campo eléctrico suele ser causado por un voltaje aplicado a través del material. El voltaje aplicado requerido para causar una ruptura en un objeto aislante dado se llama voltaje de ruptura del objeto . El campo eléctrico creado en un objeto aislante determinado por un voltaje aplicado varía según el tamaño y la forma del objeto y la ubicación en el objeto de los contactos eléctricos donde se aplica el voltaje, por lo que además de la rigidez dieléctrica del material, la ruptura El voltaje depende de estos factores.
En una lámina plana de aislante entre dos electrodos metálicos planos, el campo eléctrico es proporcional al voltaje dividido por el espesor del aislante, por lo que en general el voltaje de ruptura es proporcional a la rigidez dieléctrica y la longitud del aislamiento entre dos conductores.
Sin embargo, la forma de los conductores puede influir en la tensión de ruptura.
La ruptura es un proceso local, y en un medio aislante sujeto a una alta diferencia de voltaje comienza en cualquier punto del aislante en el que el campo eléctrico exceda por primera vez la rigidez dieléctrica local del material. Dado que el campo eléctrico en la superficie de un conductor es mayor en las partes salientes, puntas y bordes afilados, en un conductor sumergido en un aislante homogéneo como aire o aceite, la rotura suele comenzar en estos puntos. En un aislador sólido, la rotura suele comenzar en un defecto local, como una grieta o una burbuja en un aislador cerámico. Si el voltaje es lo suficientemente bajo, la avería puede limitarse a esta pequeña región; esto se llama descarga parcial . En un gas adyacente a un conductor puntiagudo, los procesos de ruptura local, descarga en corona o descarga en cepillo , pueden permitir que la corriente se escape del conductor hacia el gas en forma de iones. Sin embargo, normalmente en un aislador sólido homogéneo, después de que una región se ha descompuesto y se ha vuelto conductora, no hay caída de voltaje a través de ella y la diferencia de voltaje total se aplica a la longitud restante del aislador. Dado que la caída de voltaje ahora es más corta, esto crea un campo eléctrico más alto en el material restante, lo que hace que se descomponga más material. Entonces, la región de ruptura rápidamente (en nanosegundos) se propaga en la dirección del gradiente de voltaje (campo eléctrico) de un extremo al otro del aislador, hasta que se crea una ruta conductora continua a través del material entre los dos contactos al aplicar la diferencia de voltaje. permitiendo que una corriente fluya entre ellos, iniciando un arco eléctrico .
La falla eléctrica también puede ocurrir sin voltaje aplicado, debido a una onda electromagnética. Cuando una onda electromagnética suficientemente intensa pasa a través de un medio material, el campo eléctrico de la onda puede ser lo suficientemente fuerte como para provocar una falla eléctrica temporal. Por ejemplo, un rayo láser enfocado a un pequeño punto en el aire puede provocar una falla eléctrica e ionización del aire en el punto focal.
En los circuitos eléctricos prácticos , las averías eléctricas suelen ser un hecho no deseado, una falla del material aislante que provoca un cortocircuito , lo que posiblemente resulte en una falla catastrófica del equipo. En los circuitos de potencia, la caída repentina de la resistencia hace que fluya una alta corriente a través del material, iniciando un arco eléctrico , y si los dispositivos de seguridad no interrumpen la corriente rápidamente, el calentamiento extremo y repentino de Joule puede causar que el material aislante u otras partes del circuito derretirse o vaporizarse explosivamente, dañando el equipo y creando peligro de incendio. Sin embargo, los dispositivos de protección externos en el circuito, como disyuntores y limitadores de corriente, pueden evitar la alta corriente; y el proceso de descomposición en sí no es necesariamente destructivo y puede ser reversible, como por ejemplo en el tubo de una lámpara de descarga de gas . Si la corriente suministrada por el circuito externo se elimina lo suficientemente rápido, no se daña el material y la reducción del voltaje aplicado provoca una transición de regreso al estado aislante del material.
Los rayos y las chispas debidas a la electricidad estática son ejemplos naturales de ruptura eléctrica del aire. La avería eléctrica es parte del modo de funcionamiento normal de una serie de componentes eléctricos , como lámparas de descarga de gas como luces fluorescentes y luces de neón , diodos Zener , diodos de avalancha , diodos IMPATT , rectificadores de vapor de mercurio , tubos tiratrón , ignitrón y krytrón . y bujías .
Las averías eléctricas a menudo se asocian con la falla de los materiales aislantes sólidos o líquidos utilizados dentro de los transformadores o condensadores de alto voltaje en la red de distribución eléctrica , lo que generalmente resulta en un cortocircuito o un fusible fundido. Las averías eléctricas también pueden ocurrir a través de los aisladores que suspenden las líneas eléctricas aéreas , dentro de los cables eléctricos subterráneos o en las líneas que forman arcos en las ramas de los árboles cercanos.
La ruptura dieléctrica también es importante en el diseño de circuitos integrados y otros dispositivos electrónicos de estado sólido. Las capas aislantes de dichos dispositivos están diseñadas para soportar voltajes de funcionamiento normales, pero un voltaje más alto, como el de la electricidad estática, puede destruir estas capas, inutilizando el dispositivo. La rigidez dieléctrica de los condensadores limita la cantidad de energía que se puede almacenar y el voltaje de funcionamiento seguro del dispositivo. [2]
Los mecanismos de descomposición difieren en sólidos, líquidos y gases. La rotura está influenciada por el material del electrodo, la curvatura pronunciada del material conductor (lo que da como resultado campos eléctricos intensificados localmente), el tamaño del espacio entre los electrodos y la densidad del material en el espacio.
En materiales sólidos (como en los cables eléctricos ), una descarga parcial prolongada causada por un defecto como una grieta o una burbuja en el material suele preceder a la rotura. La descarga parcial es una ionización y calentamiento local de la zona, degradando los aislantes y metales más cercanos al defecto. En última instancia, la descarga parcial se carboniza a través de un canal de material carbonizado que conduce la corriente a través del espacio.
Los posibles mecanismos de descomposición de los líquidos incluyen burbujas, pequeñas impurezas y sobrecalentamiento eléctrico . El proceso de descomposición en líquidos se complica por efectos hidrodinámicos, ya que la intensidad del campo eléctrico no lineal en el espacio entre los electrodos ejerce una presión adicional sobre el fluido.
En los gases licuados utilizados como refrigerantes para la superconductividad (como el helio a 4,2 K o el nitrógeno a 77 K), las burbujas pueden provocar descomposición.
En los transformadores enfriados y aislados por aceite , la intensidad del campo de ruptura es de aproximadamente 20 kV/mm (en comparación con 3 kV/mm para el aire seco). A pesar de que se utilizan aceites purificados, la culpa se debe a pequeñas partículas contaminantes.
La ruptura eléctrica ocurre dentro de un gas cuando se excede la rigidez dieléctrica del gas. Las regiones de intensos gradientes de voltaje pueden hacer que el gas cercano se ionice parcialmente y comience a conducir. Esto se hace deliberadamente en descargas de baja presión, como en las luces fluorescentes . El voltaje que provoca la ruptura eléctrica de un gas se aproxima mediante la Ley de Paschen .
La descarga parcial en el aire provoca el olor a "aire fresco" del ozono durante las tormentas eléctricas o alrededor de equipos de alto voltaje. Aunque el aire suele ser un excelente aislante, cuando se le aplica un voltaje suficientemente alto (un campo eléctrico de aproximadamente 3 x 10 6 V/m o 3 kV/mm [3] ), el aire puede comenzar a descomponerse y volverse parcialmente conductor. En espacios relativamente pequeños, el voltaje de ruptura en el aire es función de la longitud del espacio multiplicada por la presión. Si el voltaje es suficientemente alto, la ruptura eléctrica completa del aire culminará en una chispa eléctrica o un arco eléctrico que unirá todo el espacio.
El color de la chispa depende de los gases que componen el medio gaseoso. Si bien las pequeñas chispas generadas por la electricidad estática pueden apenas ser audibles, las chispas más grandes suelen ir acompañadas de un fuerte chasquido o estallido. El relámpago es un ejemplo de una inmensa chispa que puede tener muchos kilómetros de largo y los truenos que produce se pueden escuchar desde una distancia muy grande.
Si un fusible o disyuntor no logra interrumpir la corriente a través de una chispa en un circuito eléctrico, la corriente puede continuar, formando un arco eléctrico muy caliente (alrededor de 30 000 grados C ). El color de un arco depende principalmente de los gases conductores, algunos de los cuales pueden haber sido sólidos antes de ser vaporizados y mezclados con el plasma caliente del arco. Los iones libres dentro y alrededor del arco se recombinan para crear nuevos compuestos químicos, como ozono , monóxido de carbono y óxido nitroso . El ozono se nota más fácilmente debido a su olor distintivo. [4]
Aunque las chispas y los arcos suelen ser indeseables, pueden resultar útiles en aplicaciones como bujías para motores de gasolina, soldadura eléctrica de metales o para fundir metales en un horno de arco eléctrico . Antes de la descarga del gas, el gas brilla con distintos colores que dependen de los niveles de energía de los átomos. No todos los mecanismos se comprenden completamente.
Se espera que el vacío en sí sufra una falla eléctrica en el límite de Schwinger o cerca de él .
Antes de la descomposición del gas, existe una relación no lineal entre el voltaje y la corriente, como se muestra en la figura. En la región 1 hay iones libres que el campo puede acelerar e inducir una corriente. Estos se saturarán después de un cierto voltaje y darán una corriente constante, región 2. Las regiones 3 y 4 son causadas por avalanchas de iones como lo explica el mecanismo de descarga de Townsend .
Friedrich Paschen estableció la relación entre el estado de ruptura y la tensión de ruptura. Derivó una fórmula que define el voltaje de ruptura ( ) para espacios de campo uniformes en función de la longitud del espacio ( ) y la presión del espacio ( ). [5]
Paschen también derivó una relación entre el valor mínimo de la brecha de presión para el cual se produce la ruptura con un voltaje mínimo. [5]
y son constantes dependiendo del gas utilizado.
La descomposición parcial del aire se produce como una descarga de corona en los conductores de alta tensión en los puntos con mayor tensión eléctrica. Los conductores que tienen puntas afiladas, o bolas con radios pequeños , son propensos a provocar rupturas dieléctricas, porque la intensidad del campo alrededor de los puntos es mayor que alrededor de una superficie plana. Los aparatos de alto voltaje están diseñados con curvas redondeadas y anillos graduadores para evitar campos concentrados que precipitan la descomposición.
La corona a veces se ve como un brillo azulado alrededor de los cables de alto voltaje y se escucha como un sonido chisporroteante a lo largo de las líneas eléctricas de alto voltaje. Corona también genera ruido de radiofrecuencia que también se puede escuchar como "estático" o zumbido en los receptores de radio. La corona también puede aparecer de forma natural como " fuego de San Telmo " durante las tormentas en puntos altos como agujas de iglesias, copas de árboles o mástiles de barcos.
Los generadores de ozono de descarga corona se utilizan desde hace más de 30 años en el proceso de purificación del agua . El ozono es un gas tóxico, incluso más potente que el cloro. En una planta de tratamiento de agua potable típica, el gas ozono se disuelve en el agua filtrada para matar las bacterias y los virus . El ozono también elimina los malos olores y el sabor del agua. La principal ventaja del ozono es que cualquier sobredosis residual se descompone en oxígeno gaseoso mucho antes de que el agua llegue al consumidor. Esto contrasta con el cloro gaseoso o las sales de cloro, que permanecen más tiempo en el agua y el consumidor puede saborearlas.
Aunque la descarga de corona suele ser indeseable, hasta hace poco era esencial en el funcionamiento de fotocopiadoras ( xerografía ) e impresoras láser . Muchas fotocopiadoras e impresoras láser modernas ahora cargan el tambor fotoconductor con un rodillo conductor de electricidad, lo que reduce la indeseable contaminación por ozono en interiores .
Los pararrayos utilizan la descarga de corona para crear caminos conductores en el aire que apuntan hacia el pararrayos, desviando rayos potencialmente dañinos lejos de los edificios y otras estructuras. [6]
Las descargas de corona también se utilizan para modificar las propiedades superficiales de muchos polímeros . Un ejemplo es el tratamiento corona de materiales plásticos que permite que la pintura o la tinta se adhieran correctamente.
Un dispositivo disruptivo [ cita necesaria ] está diseñado para sobrecargar eléctricamente un dieléctrico más allá de su rigidez dieléctrica para causar intencionalmente una falla eléctrica del dispositivo. La interrupción provoca una transición repentina de una porción del dieléctrico, de un estado aislante a un estado altamente conductor . Esta transición se caracteriza por la formación de una chispa eléctrica o canal de plasma , posiblemente seguida de un arco eléctrico a través de parte del material dieléctrico.
Si el dieléctrico es sólido, los cambios físicos y químicos permanentes a lo largo del camino de la descarga reducirán significativamente la rigidez dieléctrica del material y el dispositivo solo podrá usarse una vez. Sin embargo, si el material dieléctrico es un líquido o un gas, el dieléctrico puede recuperar completamente sus propiedades aislantes una vez que la corriente a través del canal de plasma se ha interrumpido externamente.
Los explosores comerciales utilizan esta propiedad para cambiar abruptamente altos voltajes en sistemas de energía pulsada , para proporcionar protección contra sobretensiones para sistemas de energía eléctrica y de telecomunicaciones , y encender combustible a través de bujías en motores de combustión interna . Los transmisores de chispa se utilizaron en los primeros sistemas de radiotelégrafo.
