descarga de corona

Una descarga de corona es una descarga eléctrica causada por la ionización de un fluido , como el aire, que rodea un conductor con alto voltaje . La descarga se produce cuando el voltaje supera un valor crítico, pero no se forma un arco eléctrico . En cambio, la descarga se manifiesta como un brillo coloreado alrededor del objeto. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La descarga de corona representa una región localizada donde el aire (u otro fluido) ha sufrido una ruptura dieléctrica y se ha vuelto conductor, permitiendo que la carga se filtre continuamente del conductor al aire. Una descarga de corona ocurre en lugares donde la intensidad del campo eléctrico ( gradiente de potencial ) alrededor de un conductor supera la rigidez dieléctrica del aire. A menudo se observa como un brillo azulado en el aire adyacente a conductores metálicos puntiagudos que transportan altos voltajes, y emite luz mediante el mismo mecanismo que en una lámpara de descarga de gas y en una descarga luminiscente , es decir, a través de una combinación de radiación de frenado y cambios en el estado electrónico que producen líneas espectrales discretas . Las descargas de corona también pueden ocurrir en tormentas eléctricas u otros fenómenos meteorológicos eléctricamente activos, donde objetos como mástiles de barcos o alas de aviones tienen una carga significativamente diferente a la del aire que los rodea (véase fuego de San Telmo ).

En muchas aplicaciones de alta tensión, la descarga corona es un efecto secundario indeseado. La descarga corona de las líneas de transmisión de energía eléctrica de alta tensión constituye un desperdicio de energía económicamente significativo para las compañías eléctricas. En equipos de alta tensión 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 descargas corona puede constituir una carga indeseada en el circuito. En el aire, las descargas corona generan gases como el ozono (O₃ ₎ y el óxido nítrico (NO), y a su vez, dióxido de nitrógeno (NO₂ ₎ , y por lo tanto ácido nítrico (HNO₃ ₎ si hay vapor de agua presente. Estos gases son corrosivos y pueden degradar y fragilizar los materiales cercanos, además de ser tóxicos para los seres humanos y el medio ambiente.

Las descargas de corona a menudo se pueden suprimir mejorando el aislamiento, utilizando anillos de corona y fabricando electrodos de alto voltaje con formas lisas y redondeadas.

La descarga de corona también puede ser útil. Las aplicaciones de las descargas de corona controladas incluyen máquinas de 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 alto potencial hacia un fluido neutro, generalmente aire, ionizando dicho fluido y creando una región de plasma alrededor del electrodo. Los iones generados transfieren la carga a zonas cercanas de menor potencial o se recombinan para formar moléculas de gas neutras.

Cuando el gradiente de potencial (campo eléctrico) es suficientemente grande en un punto del fluido, este se ioniza y se vuelve conductor. Si un objeto cargado tiene una punta afilada, la intensidad del campo eléctrico alrededor de esa punta será mucho mayor que en otras partes. El aire cerca del electrodo puede ionizarse (volviéndose parcialmente conductor), mientras que las regiones más distantes no. Cuando el aire cerca de la punta se vuelve conductor, aumenta el tamaño aparente del conductor. Dado que la nueva región conductora es menos puntiaguda, la ionización puede no extenderse más allá de esta región local. Fuera de esta región de ionización y conductividad, las partículas cargadas se desplazan lentamente hacia un objeto con carga opuesta y se neutralizan.

Junto con la descarga de cepillo similar , la corona a menudo se llama una "descarga de un solo electrodo", en contraposición a una "descarga de dos electrodos" — un arco eléctrico . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Una corona se forma solo cuando el conductor está lo suficientemente separado de conductores con potencial opuesto como para que un arco no pueda saltar entre los dos. 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 una trayectoria 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 en una descarga continua llamada arco.

La descarga de corona se forma solo cuando el campo eléctrico (gradiente de potencial) en la superficie del conductor supera 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 aproximadamente 30 kV/cm, ^{[ 3 ]} pero este disminuye con la presión; por lo tanto, la descarga de corona es un problema mayor a grandes altitudes. ^{[ 6 ]} La descarga de corona generalmente se forma en regiones muy curvas en los electrodos, como esquinas afiladas, puntas salientes, bordes de superficies metálicas o cables de pequeño diámetro. La alta curvatura causa un alto gradiente de potencial en estos lugares, de modo que el aire se rompe y forma plasma allí primero. En puntas afiladas en el aire, la corona puede comenzar a potenciales de 2 a 6  kV. ^{[ 4 ]} Para suprimir la formación de corona, los terminales en equipos de alta tensión se diseñan frecuentemente con formas redondeadas, lisas y de gran diámetro, como esferas o toroides. A menudo se agregan anillos de corona a los aisladores de las líneas de transmisión de alta tensión.

Las coronas pueden ser positivas o negativas . Esto viene determinado por la polaridad del voltaje en el electrodo altamente curvado. Si el electrodo curvado es positivo con respecto al electrodo plano, tiene una corona positiva ; si es negativo, tiene una corona negativa . (Véase más abajo para más detalles). La física de las coronas positivas y negativas es notablemente diferente. Esta asimetría es resultado de la gran diferencia de masa entre los electrones y los iones con carga positiva , ya que solo el electrón tiene la capacidad de experimentar 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 diversas aplicaciones comerciales e industriales:

• Eliminación de cargas eléctricas no deseadas de la superficie de las aeronaves en vuelo, evitando así el efecto perjudicial de los pulsos de descarga eléctrica incontrolados sobre el rendimiento de los sistemas de aviónica.
• Fabricación de ozono
• Desinfección del agua de la piscina
• En un precipitador electrostático , se eliminan contaminantes sólidos de una corriente de gases residuales o se depuran partículas del aire en sistemas de aire acondicionado.
• Fotocopiado
• Ionizadores de aire
• Producción de fotones para la fotografía Kirlian para la exposición de película fotográfica.
• Propulsores EHD , elevadores y otros dispositivos de viento iónico
• láser de nitrógeno
• Ionización de una muestra gaseosa para su posterior análisis en un espectrómetro de masas o un espectrómetro de movilidad iónica.
• Neutralización de la carga estática, aplicada mediante dispositivos antiestáticos como barras ionizantes.
• Refrigeración de dispositivos electrónicos por convección forzada ^{[ 7 ]}

Las descargas corona pueden utilizarse para generar superficies cargadas, un efecto que se emplea en la fotocopia electrostática . También pueden utilizarse 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 sobre placas con carga opuesta.

Los radicales libres e iones generados en las reacciones de corona pueden utilizarse para depurar el aire de ciertos productos nocivos, mediante reacciones químicas, y también pueden utilizarse para producir ozono .

Las descargas corona pueden generar ruido audible y de radiofrecuencia, especialmente cerca de las líneas de transmisión de energía eléctrica . Por lo tanto, los equipos de transmisión de energía se diseñan para minimizar la formación de descargas corona.

La descarga de corona generalmente no es deseable en:

• Transmisión de energía eléctrica , donde provoca:
  • pérdida de energía
  • Ruido audible
  • Interferencia electromagnética
  • brillo púrpura
  • Producción de ozono ^{[ 8 ]}
  • Daños en el aislamiento
  • Posible malestar en animales sensibles a la luz ultravioleta ^{[ 9 ]}
• Componentes eléctricos como transformadores , condensadores , motores eléctricos y generadores :
  • La descarga corona puede dañar progresivamente el aislamiento interno de estos dispositivos, lo que provoca fallos en el equipo.
  • Los artículos de elastómero, como las juntas tóricas, pueden sufrir agrietamiento por ozono .
  • Los condensadores de película plástica que funcionan a tensión de red pueden sufrir una pérdida progresiva de capacitancia debido a que las descargas de corona provocan la vaporización local de la metalización. ^{[ 10 ]}

En muchos casos, las descargas corona pueden suprimirse mediante anillos corona , dispositivos toroidales que sirven para distribuir el campo eléctrico sobre áreas más grandes y disminuir el gradiente del campo por debajo del umbral de descarga corona.

La descarga de corona se produce cuando el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para crear una reacción en cadena; los electrones del aire chocan con los átomos con la fuerza suficiente para ionizarlos, creando más electrones libres que ionizan más átomos. Los diagramas a continuación ilustran, a escala microscópica, el proceso que crea una corona en el aire junto a un electrodo puntiagudo con un alto voltaje negativo con respecto a tierra. El proceso es:

1. Un átomo o molécula neutra, en una región de campo eléctrico intenso (como el alto gradiente de potencial cerca del electrodo curvo), se ioniza por un evento ambiental natural (por ejemplo, al ser impactado por un fotón ultravioleta o una partícula de rayo cósmico ), para crear un ion positivo y un electrón libre .
2. El campo eléctrico acelera estas partículas con cargas opuestas en direcciones opuestas, separándolas, impidiendo su recombinación e impartiendo energía cinética a cada una de ellas.
3. El electrón tiene una relación carga/masa mucho mayor, por lo que se acelera a una velocidad superior a la del ion positivo. Adquiere suficiente energía del campo para que, al chocar con otro átomo, lo ionice, expulsando otro electrón y creando otro ion positivo. Estos electrones se aceleran y colisionan con otros átomos, creando más pares electrón-ión positivo, y estos electrones colisionan con más átomos, en un proceso de reacción en cadena denominado avalancha de electrones . Tanto las coronas positivas como las negativas dependen de las avalanchas de electrones. En una corona positiva, todos los electrones son atraídos hacia el electrodo positivo cercano y los iones son repelidos hacia afuera. En una corona negativa, los iones son atraídos hacia adentro y los electrones son repelidos hacia afuera.
4. El resplandor de la corona se produce cuando los electrones se recombinan con iones positivos para formar átomos neutros. Al regresar a su nivel de energía original, el electrón emite un fotón de luz. Estos fotones ionizan otros átomos, lo que perpetúa la formación de avalanchas de electrones.
5. A cierta distancia del electrodo, el campo eléctrico se debilita lo suficiente como para dejar de transmitir energía a los electrones y permitirles ionizar los átomos al colisionar. Este es el límite exterior de la corona. Fuera de este límite, los iones se desplazan por el aire sin generar nuevos iones. Los iones que se mueven hacia afuera son atraídos por el electrodo opuesto y, finalmente, lo alcanzan y se combinan con los electrones del electrodo para volver a ser átomos neutros, completando así el circuito.

Termodinámicamente, una corona es un proceso de no equilibrio que genera un plasma no térmico. El mecanismo de avalancha generalmente no libera suficiente energía para calentar el gas en la región de la corona 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, alcanzando energías cercanas a la energía de ionización de 1 a 3 eV; el resto del gas circundante se encuentra a una temperatura cercana a la ambiente.

La tensión de inicio de la descarga corona o tensión de inicio de la descarga corona (CIV) se puede calcular mediante la ley de Peek (1929), formulada a partir de observaciones empíricas. Trabajos posteriores derivaron fórmulas más precisas.

Los gases ionizados producidos en una descarga de corona son acelerados por el campo eléctrico, generando un movimiento de gas o viento eléctrico . El movimiento de aire asociado a una corriente de descarga de unos pocos cientos de microamperios puede apagar la llama de una vela pequeña a aproximadamente 1  cm del punto de descarga. Un molinillo de viento, con radios metálicos radiales y puntas afiladas que apuntan a lo largo de la circunferencia de un círculo, puede 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 carga espacial que rodea las puntas. ^{[ 11 ]}

• Corriente alterna
• ionización química a presión atmosférica
• Tubo de Crookes
• descarga de barrera dieléctrica
• Fotografía Kirlian
• El fuego de San Telmo

• Información adicional sobre el coronavirus, sus efectos, características y medidas preventivas.