Una descarga de corona es una descarga eléctrica causada por la ionización de un fluido como el aire que rodea un conductor que transporta un alto voltaje . Representa una región local donde el aire (u otro fluido) ha sufrido una falla eléctrica y se vuelve conductor, lo que permite que la carga se escape continuamente del conductor al aire. Una descarga en corona ocurre en lugares donde la intensidad 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 mediante el mismo mecanismo que una lámpara de descarga de gas . Las descargas de corona también pueden ocurrir en condiciones climáticas como las tormentas eléctricas, donde objetos como los mástiles de los barcos o las alas de los aviones tienen una carga significativamente diferente a la 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 con tubos 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 (O 3 ) y óxido nítrico (NO) y, a su vez, dióxido de nitrógeno (NO 2 ) y, por tanto, ácido nítrico (HNO 3 ) si hay vapor de agua . Estos gases son corrosivos y pueden degradar y fragilizar los materiales cercanos, además de ser tóxicos para los humanos y el medio ambiente.
Las descargas de corona a menudo pueden suprimirse mejorando el aislamiento, utilizando anillos de corona y fabricando electrodos de alto voltaje con formas redondeadas y suaves. Sin embargo, las descargas de corona controladas se utilizan en una variedad de procesos como filtración de aire, fotocopiadoras y generadores de ozono .
Una descarga de corona es un proceso mediante el cual una corriente fluye desde un electrodo con un alto potencial hacia un fluido neutro, generalmente aire, ionizando ese fluido para crear una región de plasma alrededor del electrodo. Los iones generados eventualmente pasan 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 otros lugares. El aire cerca del electrodo puede ionizarse (parcialmente conductor), mientras que las regiones más distantes no. 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 nítida, es posible que la ionización no se extienda más allá de esta región local. Fuera de esta región de ionización y conductividad, las partículas cargadas encuentran lentamente su camino hacia un objeto con carga opuesta y son neutralizadas.
Junto con la descarga de cepillo similar , la corona a menudo se denomina "descarga de un solo electrodo", en contraposición a una "descarga de dos electrodos": un arco eléctrico . [1] [2] [3] Una corona se forma sólo 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 con un potencial más bajo, se formará un camino conductor de baja resistencia entre los dos, lo que resultará en una chispa eléctrica o un arco eléctrico , dependiendo de la fuente de energía. el campo eléctrico. Si la fuente continúa suministrando corriente, una chispa se convertirá en una descarga continua llamada arco.
La descarga en corona se forma sólo cuando el campo eléctrico (gradiente de potencial) en la superficie del conductor excede un valor crítico, la rigidez dieléctrica o el gradiente de potencial disruptivo del fluido. En el aire a una presión al nivel del mar de 101 kPa, el valor crítico es aproximadamente 30 kV/cm, [1] pero esto disminuye con la presión, por lo tanto, la descarga de corona es un problema mayor en altitudes elevadas. [4] La descarga de corona generalmente se forma en regiones muy curvadas de los electrodos, como esquinas afiladas, puntos salientes, bordes de superficies metálicas o alambres de pequeño diámetro. 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 puntiagudos del aire, la corona puede comenzar con potenciales de 2 a 6 kV. [2] Para suprimir la formación de corona, los terminales de los equipos de alta tensión se diseñan frecuentemente con formas redondeadas, suaves y de gran diámetro, como bolas o toros. Los anillos de corona a menudo se agregan a los aisladores de líneas de transmisión de alto voltaje.
Las coronas pueden ser positivas o negativas . Esto está determinado por la polaridad del voltaje en el electrodo altamente curvado. Si el electrodo curvo es positivo respecto al electrodo plano, tiene corona positiva ; si es negativo, tiene corona negativa . (Consulte a continuación para obtener 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 , teniendo solo el electrón 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 sufren procesos de corona en el aire. Una corona negativa genera mucho más ozono que la correspondiente corona positiva.
La descarga corona tiene varias aplicaciones comerciales e industriales:
Las coronas se pueden utilizar para generar superficies cargadas, que es un efecto utilizado en la copia electrostática ( fotocopia ). También se pueden utilizar para eliminar partículas de corrientes de aire cargando primero el aire y luego haciendo pasar la corriente cargada a través de un peine de polaridad alterna, para depositar las partículas cargadas en placas con carga opuesta.
Los radicales libres y los iones generados en las reacciones corona se pueden utilizar para limpiar el aire de ciertos productos nocivos, mediante reacciones químicas, y se pueden utilizar para producir ozono .
Las coronas pueden generar ruido audible y de radiofrecuencia, particularmente cerca de líneas de transmisión de energía eléctrica . Por lo tanto, los equipos de transmisión de energía están diseñados para minimizar la formación de descarga de corona.
La descarga de corona generalmente es indeseable en:
En muchos casos, las coronas pueden suprimirse mediante anillos de corona , dispositivos toroidales que sirven para distribuir el campo eléctrico en áreas más grandes y disminuir el gradiente de campo por debajo del umbral de corona.
La descarga en corona ocurre cuando el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para crear una reacción en cadena; Los electrones en el aire chocan con los átomos con 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 transporta un alto voltaje negativo con respecto a tierra. El proceso es:
Termodinámicamente, una corona es un proceso de muy desequilibrio 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 en una chispa. Sólo una pequeña cantidad de moléculas de gas participan en las avalanchas de electrones y se ionizan, teniendo energías cercanas a la energía de ionización de 1 a 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 encontrar 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 puede ver brillando en azul o blanco, aunque muchas de las emisiones son en ultravioleta. La uniformidad del plasma es causada por la fuente homogénea de electrones de avalancha secundaria que se describe en la sección del 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 interior y exterior.
Una corona positiva tiene una densidad de electrones libres mucho menor en comparación con una corona negativa; quizás una milésima parte de la densidad electrónica 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 la parte exterior. , áreas del 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 correspondientes coronas negativas; aunque el número total de electrones puede ser menor, el número de electrones de muy alta energía puede ser mayor.
Las coronas son eficientes productoras de ozono en el aire. Una corona positiva genera mucho menos ozono que la correspondiente corona negativa, ya que las reacciones que producen ozono son de energía relativamente baja. Por tanto, un 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 con una corona negativa, una corona positiva se inicia mediante un evento de ionización exógena en una región de alto gradiente de potencial. Los electrones resultantes de la ionización son atraídos hacia el electrodo curvo y los iones positivos repelidos. Al sufrir colisiones inelásticas cada vez más cerca del electrodo curvo, se ionizan más moléculas en una avalancha de electrones.
En una corona positiva, los electrones secundarios para futuras avalanchas se generan principalmente en el propio fluido, en la zona exterior al plasma o en la zona de avalanchas. Se crean por ionización causada por los fotones emitidos por ese plasma en los diversos procesos de deexcitación que ocurren dentro del plasma después de las colisiones de electrones, la energía térmica liberada en esas colisiones crea fotones que se irradian al gas. Los electrones resultantes de la ionización de una molécula de gas neutro son atraídos eléctricamente hacia el electrodo curvo, atraídos hacia el plasma, y así comienza el proceso de creación de más 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 curvado. A menudo aparece como mechones de la corona en bordes afilados, y el número de mechones cambia con la intensidad del campo. La forma de coronas negativas es el resultado de su fuente de electrones de avalancha secundaria (ver más abajo). Parece un poco más grande que la correspondiente corona positiva, ya que se permite que los electrones salgan de la región ionizante y, por lo tanto, el plasma continúa a cierta distancia más allá de ella. El número total de electrones y la densidad electrónica es mucho mayor que en la correspondiente corona positiva. Sin embargo, son predominantemente de menor energía, debido a que se encuentran en una región de menor gradiente de potencial. Por lo tanto, mientras que para muchas reacciones, el aumento de la 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 la construcción. Al igual que con las coronas positivas, el establecimiento de una corona comienza con un evento de ionización exógena que genera un electrón primario, seguido de una avalancha de electrones.
Los electrones ionizados del gas neutro no son útiles para sostener 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 el caso de la corona negativa, en cambio, el proceso dominante que genera electrones secundarios es el efecto fotoeléctrico , procedente de la propia superficie del electrodo. La función de trabajo de los electrones (la energía necesaria 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 las especies positivas con el electrodo curvo también puede provocar la liberación de electrones.
La diferencia, entonces, entre coronas positivas y negativas, en lo que respecta a la generación de avalanchas de electrones secundarios, es que en una corona positiva son generadas por el gas que rodea la región del plasma, viajando los nuevos electrones secundarios hacia adentro, mientras que en una corona negativa corona son generados por el propio electrodo curvo, y los nuevos electrones secundarios viajan hacia afuera.
Otra característica de la estructura de las coronas negativas es que, a medida que los electrones se desplazan hacia afuera, encuentran moléculas neutras y, con moléculas electronegativas (como el oxígeno y el vapor de agua ), se combinan para producir iones negativos. Estos iones negativos son luego atraídos por el electrodo positivo no curvado, completando el "circuito".
Los gases ionizados producidos en una descarga en corona son acelerados por el campo eléctrico, produciendo un movimiento de gas o viento eléctrico . El movimiento del aire asociado con una corriente de descarga de unos pocos cientos de microamperios puede apagar la llama de una pequeña vela a aproximadamente 1 cm de un punto de descarga. Se puede hacer girar un molinete, con radios metálicos radiales y puntas puntiagudas dobladas para apuntar a lo largo de la circunferencia de un círculo, si se energiza mediante una descarga de corona; la rotación se debe a la atracción eléctrica diferencial entre los radios metálicos y la región del escudo de carga espacial que rodea las puntas. [9]