Una descarga de corona es una descarga eléctrica causada por la ionización de un fluido como el aire que rodea a un conductor que transporta un alto voltaje . Representa una región local donde el aire (u otro fluido) ha sufrido una ruptura eléctrica y se ha vuelto conductor, lo que permite que la carga se escape continuamente del conductor al aire. Una descarga de corona ocurre en lugares donde la fuerza del campo eléctrico ( gradiente de potencial ) alrededor de un conductor excede la rigidez dieléctrica del aire. A menudo se ve como un brillo azulado en el aire adyacente a conductores metálicos puntiagudos que transportan altos voltajes y emite luz por el mismo mecanismo que una lámpara de descarga de gas ( quimioluminiscencia ). Las descargas de corona también pueden ocurrir en el clima, como tormentas eléctricas, donde objetos como mástiles de barcos o alas de aviones tienen una carga significativamente diferente del aire que los rodea ( fuego de San Telmo ).
En muchas aplicaciones de alto voltaje, la corona es un efecto secundario no deseado. La descarga de corona de las líneas de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje constituye un desperdicio de energía económicamente significativo para las empresas de servicios públicos. En equipos de alto voltaje como televisores de tubo de rayos catódicos , transmisores de radio , máquinas de rayos X y aceleradores de partículas , la fuga de corriente causada por las coronas puede constituir una carga no deseada en el circuito. En el aire, las coronas generan gases como ozono (O3 ) y óxido nítrico (NO), y a su vez, dióxido de nitrógeno (NO2 ) y, por lo tanto, ácido nítrico (HNO3 ) si hay vapor de agua . Estos gases son corrosivos y pueden degradar y quebrar los materiales cercanos, y también son tóxicos para los humanos y el medio ambiente.
Las descargas de corona se pueden suprimir a menudo mediante un mejor aislamiento, anillos de corona y la fabricación de electrodos de alto voltaje con formas redondeadas y suaves. Sin embargo, las descargas de corona controladas se utilizan en una variedad de procesos, como la filtración de aire, las fotocopiadoras y los generadores de ozono .
Una descarga de corona es un proceso por el cual una corriente fluye desde un electrodo con un alto potencial hacia un fluido neutro, generalmente aire, ionizando dicho fluido para crear una región de plasma alrededor del electrodo. Los iones generados finalmente transfieren la carga a áreas cercanas de menor potencial o se recombinan para formar moléculas de gas neutro.
Cuando el gradiente de potencial (campo eléctrico) es lo suficientemente grande en un punto del fluido, el fluido en ese punto se ioniza y se vuelve conductor. Si un objeto cargado tiene una punta afilada, la intensidad del campo eléctrico alrededor de ese punto será mucho mayor que en cualquier otro lugar. El aire cerca del electrodo puede ionizarse (parcialmente conductor), mientras que las regiones más distantes no lo hacen. Cuando el aire cerca del punto se vuelve conductor, tiene el efecto de aumentar el tamaño aparente del conductor. Dado que la nueva región conductora es menos afilada, la ionización puede no extenderse más allá de esta región local. Fuera de esta región de ionización y conductividad, las partículas cargadas encuentran lentamente su camino hacia un objeto de carga opuesta y se neutralizan.
Junto con la descarga de cepillo similar , la corona a menudo se llama "descarga de un solo electrodo", en contraposición a una "descarga de dos electrodos" (un arco eléctrico) . [1] [2] [3] Una corona se forma solo cuando el conductor está lo suficientemente separado de los conductores en el potencial opuesto como para que un arco no pueda saltar entre ellos. Si la geometría y el gradiente son tales que la región ionizada continúa creciendo hasta que alcanza otro conductor a un potencial más bajo, se formará una ruta conductora de baja resistencia entre los dos, lo que dará como resultado una chispa eléctrica o un arco eléctrico , dependiendo de la fuente del campo eléctrico. Si la fuente continúa suministrando corriente, una chispa evolucionará hacia una descarga continua llamada arco.
La descarga de corona se forma solo cuando el campo eléctrico (gradiente de potencial) en la superficie del conductor excede un valor crítico, la rigidez dieléctrica o gradiente de potencial disruptivo del fluido. En el aire a una presión de 101 kPa a nivel del mar, el valor crítico es de aproximadamente 30 kV/cm, [1] pero este disminuye con la presión, por lo tanto, la descarga de corona es un problema mayor a grandes altitudes. [4] La descarga de corona generalmente se forma en regiones muy curvadas en los electrodos, como esquinas agudas, puntos salientes, bordes de superficies metálicas o cables de diámetro pequeño. La alta curvatura provoca un alto gradiente de potencial en estos lugares, de modo que el aire se descompone y forma plasma allí primero. En puntos agudos en el aire, la corona puede comenzar a potenciales de 2 a 6 kV. [2] Para suprimir la formación de corona, los terminales en equipos de alto voltaje se diseñan con frecuencia con formas redondeadas suaves de gran diámetro como bolas o toros. Los anillos de corona a menudo se agregan a los aisladores de las líneas de transmisión de alto voltaje.
Las coronas pueden ser positivas o negativas . Esto se determina por la polaridad del voltaje en el electrodo muy curvado. Si el electrodo curvado es positivo con respecto al electrodo plano, tiene una corona positiva ; si es negativa, tiene una corona negativa . (Véase más abajo para más detalles.) La física de las coronas positivas y negativas es sorprendentemente diferente. Esta asimetría es el resultado de la gran diferencia de masa entre los electrones y los iones cargados positivamente , siendo solo el electrón el que tiene la capacidad de sufrir un grado significativo de colisión inelástica ionizante a temperaturas y presiones comunes.
Una razón importante para considerar las coronas es la producción de ozono alrededor de los conductores que experimentan procesos de corona en el aire. Una corona negativa genera mucho más ozono que la corona positiva correspondiente.
La descarga de corona tiene numerosas aplicaciones comerciales e industriales:
Las coronas se pueden utilizar para generar superficies cargadas, un efecto que se utiliza en la copia electrostática ( fotocopiado ). También se pueden utilizar para eliminar partículas de las corrientes de aire, primero cargando el aire y luego haciendo pasar la corriente cargada a través de un peine de polaridad alterna para depositar las partículas cargadas sobre placas con cargas opuestas.
Los radicales libres y los iones generados en las reacciones de corona se pueden utilizar para limpiar el aire de ciertos productos nocivos, a través de reacciones químicas, y pueden usarse para producir ozono .
Las coronas pueden generar ruido audible y de radiofrecuencia, en particular cerca de líneas de transmisión de energía eléctrica . Por lo tanto, los equipos de transmisión de energía están diseñados para minimizar la formación de descargas de corona.
La descarga de corona generalmente no es deseable en:
En muchos casos, las coronas se pueden suprimir mediante anillos de corona , dispositivos toroidales que sirven para distribuir el campo eléctrico sobre áreas más grandes y disminuir el gradiente de campo por debajo del umbral de la corona.
La descarga de corona se produce cuando el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para crear una reacción en cadena; los electrones en el aire chocan con átomos con la suficiente fuerza como para ionizarlos, creando más electrones libres que ionizan más átomos. Los diagramas siguientes ilustran a escala microscópica el proceso que crea una corona en el aire junto a un electrodo puntiagudo que lleva un alto voltaje negativo con respecto a tierra. El proceso es:
Termodinámicamente, una corona es un proceso que no está en equilibrio y que crea un plasma no térmico. El mecanismo de avalancha no libera suficiente energía para calentar el gas en la región de la corona en general e ionizarlo, como ocurre en un arco eléctrico o una chispa. Solo una pequeña cantidad de moléculas de gas participan en las avalanchas de electrones y se ionizan, con energías cercanas a la energía de ionización de 1-3 ev; el resto del gas circundante está cerca de la temperatura ambiente.
El voltaje de inicio de la corona o voltaje de inicio de la corona (CIV) se puede determinar con la ley de Peek (1929), formulada a partir de observaciones empíricas. Artículos posteriores derivaron fórmulas más precisas.
Una corona positiva se manifiesta como un plasma uniforme a lo largo de un conductor. A menudo se la puede ver brillando de color azul o blanco, aunque muchas de las emisiones son en el ultravioleta. La uniformidad del plasma se debe a la fuente homogénea de electrones de avalancha secundarios que se describe en la sección sobre el mecanismo, a continuación. Con la misma geometría y voltajes, parece un poco más pequeña que la corona negativa correspondiente, debido a la falta de una región de plasma no ionizante entre las regiones interna y externa.
Una corona positiva tiene una densidad de electrones libres mucho menor que una corona negativa; quizás una milésima parte de la densidad de electrones y una centésima parte del número total de electrones. Sin embargo, los electrones en una corona positiva se concentran cerca de la superficie del conductor curvo, en una región de alto gradiente de potencial (y por lo tanto los electrones tienen alta energía), mientras que en una corona negativa muchos de los electrones están en las áreas externas de campo inferior. Por lo tanto, si se van a utilizar electrones en una aplicación que requiere alta energía de activación, las coronas positivas pueden soportar una constante de reacción mayor que las coronas negativas correspondientes; aunque el número total de electrones puede ser menor, el número de electrones de energía muy alta puede ser mayor.
Las coronas son productores eficientes de ozono en el aire. Una corona positiva genera mucho menos ozono que la corona negativa correspondiente, ya que las reacciones que producen ozono son de energía relativamente baja. Por lo tanto, el mayor número de electrones de una corona negativa conduce a una mayor producción.
Más allá del plasma, en la región unipolar , el flujo es de iones positivos de baja energía hacia el electrodo plano.
Al igual que en el caso de una corona negativa, una corona positiva se inicia por un evento de ionización exógeno en una región con un gradiente de potencial alto. Los electrones resultantes de la ionización son atraídos hacia el electrodo curvo, mientras que los iones positivos son repelidos. Al sufrir colisiones inelásticas cada vez más cercanas al electrodo curvo, se ionizan más moléculas en una avalancha de electrones.
En una corona positiva, los electrones secundarios, que pueden provocar nuevas avalanchas, se generan predominantemente en el propio fluido, en la región exterior al plasma o región de avalancha. Se crean por la ionización causada por los fotones emitidos desde ese plasma en los diversos procesos de desexcitación que ocurren dentro del plasma después de las colisiones de electrones; la energía térmica liberada en esas colisiones crea fotones que se irradian hacia el gas. Los electrones resultantes de la ionización de una molécula de gas neutro son entonces atraídos eléctricamente de nuevo hacia el electrodo curvado, atraídos hacia el plasma, y así comienza el proceso de creación de nuevas avalanchas dentro del plasma.
Una corona negativa se manifiesta en una corona no uniforme, que varía según las características de la superficie y las irregularidades del conductor curvo. A menudo aparece como mechones de la corona en los bordes afilados, cuyo número se altera con la fuerza del campo. La forma de las coronas negativas es el resultado de su fuente de electrones de avalancha secundarios (ver más abajo). Parece un poco más grande que la corona positiva correspondiente, ya que se permite que los electrones se desplacen fuera de la región ionizante, por lo que el plasma continúa a cierta distancia más allá de ella. El número total de electrones y la densidad electrónica son mucho mayores que en la corona positiva correspondiente. Sin embargo, son predominantemente de energía más baja, debido a que están en una región de gradiente de potencial más bajo. Por lo tanto, mientras que para muchas reacciones, la mayor densidad electrónica aumentará la velocidad de reacción, la menor energía de los electrones significará que las reacciones que requieren mayor energía electrónica pueden tener lugar a una velocidad menor.
Las coronas negativas son más complejas que las positivas en su construcción. Al igual que en el caso de las coronas positivas, la formación de una corona comienza con un evento de ionización exógeno que genera un electrón primario, seguido de una avalancha de electrones.
Los electrones ionizados del gas neutro no son útiles para mantener el proceso de corona negativa generando electrones secundarios para futuras avalanchas, ya que el movimiento general de los electrones en una corona negativa es hacia afuera del electrodo curvo. En cambio, para la corona negativa, el proceso dominante que genera electrones secundarios es el efecto fotoeléctrico , desde la superficie del propio electrodo. La función de trabajo de los electrones (la energía requerida para liberar los electrones de la superficie) es considerablemente menor que la energía de ionización del aire a temperaturas y presiones estándar, lo que lo convierte en una fuente más liberal de electrones secundarios en estas condiciones. Nuevamente, la fuente de energía para la liberación de electrones es un fotón de alta energía de un átomo dentro del cuerpo de plasma que se relaja después de la excitación de una colisión anterior. El uso de gas neutro ionizado como fuente de ionización se reduce aún más en una corona negativa por la alta concentración de iones positivos que se agrupan alrededor del electrodo curvo.
En otras condiciones, la colisión de la especie positiva con el electrodo curvo también puede provocar la liberación de electrones.
La diferencia, entonces, entre coronas positivas y negativas, en materia de generación de avalanchas de electrones secundarios, es que en una corona positiva son generadas por el gas que rodea la región de plasma, viajando los nuevos electrones secundarios hacia adentro, mientras que en una corona negativa son generadas por el propio electrodo curvo, viajando los nuevos electrones secundarios hacia afuera.
Otra característica de la estructura de las coronas negativas es que, a medida que los electrones se desplazan hacia el exterior, se encuentran con moléculas neutras y, junto con las moléculas electronegativas (como el oxígeno y el vapor de agua ), se combinan para producir iones negativos. Estos iones negativos son atraídos hacia el electrodo positivo no curvado, completando así el "circuito".
Los gases ionizados producidos en una descarga de corona son acelerados por el campo eléctrico, lo que produce un movimiento de viento gaseoso o eléctrico . El movimiento de aire asociado con una corriente de descarga de unos pocos cientos de microamperios puede apagar una pequeña llama de vela a aproximadamente 1 cm de un punto de descarga. Un molinete, con radios metálicos radiales y puntas puntiagudas dobladas para apuntar a lo largo de la circunferencia de un círculo, puede hacerse girar si se energiza mediante una descarga de corona; la rotación se debe a la atracción eléctrica diferencial entre los radios metálicos y la región de protección de carga espacial que rodea las puntas. [9]