Arco voltaico

Un arco eléctrico (o descarga de arco ) es una ruptura eléctrica de un gas que produce una descarga eléctrica prolongada . La corriente que atraviesa un medio normalmente no conductor, como el aire , produce un plasma que puede generar luz visible . Una descarga de arco se inicia mediante emisión termoiónica o emisión de campo . ^{[ 1 ]} Tras su inicio, el arco se mantiene gracias a la emisión termoiónica de electrones desde los electrodos que lo sustentan. Una descarga de arco se caracteriza por un voltaje menor que una descarga luminiscente . Un término arcaico es arco voltaico , como se usa en la expresión "lámpara de arco voltaico".

Se pueden utilizar técnicas de supresión de arcos eléctricos para reducir la duración o la probabilidad de formación de arcos.

A finales del siglo XIX, la iluminación por arco eléctrico se utilizaba ampliamente en el alumbrado público . Algunos arcos eléctricos de baja presión se emplean en numerosas aplicaciones. Por ejemplo, se utilizan tubos fluorescentes , lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos para la iluminación; las lámparas de arco de xenón se han utilizado en proyectores de cine . Los arcos eléctricos también pueden emplearse en procesos de fabricación, como la soldadura por arco eléctrico , el corte por plasma 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 era una chispa en lugar de un arco. ^{[ 4 ]} Ese 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", difícil de distinguir de una chispa sostenida , entre puntas de carbón . La Sociedad suscribió para una batería más potente de 1000 placas, y en 1808 demostró el arco a gran escala. ^{[ 5 ]} Se le atribuye haberle dado nombre al arco. ^{[ 6 ]} Lo llamó arco porque adopta la forma de un arco ascendente 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-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 The 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 trabajo ante la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su trabajo se titulaba "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 trabajo ante la Royal Society, pero no se le permitió debido a su género, y "El mecanismo del arco eléctrico" fue leído en su lugar por John Perry en 1901.

Un arco eléctrico es la forma de descarga eléctrica con la mayor densidad de corriente. La corriente máxima que circula por un arco está limitada únicamente por el circuito externo, no por el arco en sí.

Un arco eléctrico entre dos electrodos puede iniciarse por ionización y descarga luminiscente al aumentar la corriente que circula por ellos. La tensión de ruptura del espacio entre electrodos depende de la presión, la distancia entre ellos y el tipo de gas que los rodea. Al iniciarse un arco, su tensión en los terminales es mucho menor que la de una descarga luminiscente, y la corriente es mayor. Un arco en gases cercanos a la presión atmosférica se caracteriza por la emisión de luz visible, una alta densidad de corriente y una temperatura elevada. Un arco se distingue de una descarga luminiscente, en parte, por la similitud de las temperaturas de los electrones y los iones positivos; en una descarga luminiscente, los iones son mucho más fríos que los electrones.

Un arco eléctrico puede iniciarse mediante dos electrodos inicialmente en contacto que luego se separan; esto permite iniciar un arco sin la descarga luminiscente de alto voltaje. Así es como un soldador comienza a soldar una junta, tocando momentáneamente la pieza de trabajo con el electrodo de soldadura 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 en los contactos. ^{[ 11 ]}

La resistencia eléctrica a lo largo del arco eléctrico continuo genera 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 transforma gradualmente en un plasma térmico. Un plasma térmico se encuentra en equilibrio térmico; la temperatura es relativamente homogénea en todos los átomos, moléculas, iones y electrones. La energía transferida a los electrones se dispersa rápidamente hacia las partículas más pesadas mediante colisiones elásticas , debido a su gran movilidad y 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 en el cátodo; se pueden encontrar densidades de corriente del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado. A diferencia de una descarga luminiscente , un arco tiene poca estructura discernible, ya que la columna positiva es bastante brillante y se extiende casi hasta los electrodos en ambos extremos. La caída de voltaje catódico y anódico de unos pocos voltios ocurre dentro de una fracción de milímetro de cada electrodo. La columna positiva tiene un gradiente de voltaje menor y puede estar ausente en arcos muy cortos. ^{[ 11 ]}

Un arco de corriente alterna de baja frecuencia (menos de 100  Hz) se asemeja a un arco de corriente continua; en cada ciclo, el arco se inicia por ruptura dieléctrica, y los electrodos intercambian sus funciones, 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 semiciclo, y la ruptura dieléctrica ya no es necesaria para mantener el arco; la característica voltaje-corriente se aproxima más a una resistencia 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 de tungsteno o carbono) y genera una temperatura muy alta , capaz de fundir o vaporizar la mayoría de los materiales. Un arco eléctrico es una descarga continua, mientras que la descarga de chispa eléctrica, similar a esta , es momentánea. Un arco eléctrico puede producirse tanto en circuitos de corriente continua (CC) como en circuitos de corriente alterna (CA). En este último caso, el arco puede volver a generarse en cada semiciclo de la corriente. Un arco eléctrico se diferencia de una descarga luminiscente en que la densidad de corriente es bastante alta y la caída de tensión dentro del arco es baja; en el cátodo , la densidad de corriente puede alcanzar hasta un megaamperio por centímetro cuadrado. ^{[ 11 ]}

Un arco eléctrico presenta una relación no lineal entre corriente y voltaje. Una vez establecido el arco (ya sea por progresión desde una descarga luminiscente ^{[ 12 ]} o por contacto momentáneo entre los electrodos y posterior separación), el aumento de la corriente produce un voltaje menor entre los terminales del arco. Este efecto de resistencia negativa requiere la incorporación de algún tipo de impedancia positiva (como un balasto eléctrico ) en el circuito para mantener un arco estable. Esta propiedad explica por qué los arcos eléctricos incontrolados en los aparatos resultan tan destructivos, ya que, una vez iniciado, un arco consumirá cada vez más corriente de una fuente de voltaje fijo hasta destruir el aparato.

Existe una forma de arco eléctrico móvil conocida como descarga de arco deslizante, que se inicia en el espacio más corto entre electrodos divergentes colocados en un flujo de gas rápido (típicamente superior a 10 m/s). La descarga se mueve ("desliza") progresivamente a lo largo de los electrodos en la dirección del flujo de gas hasta que se rompe y se extingue. Este movimiento continuo de las raíces del arco evita la erosión de los electrodos y permite una transferencia directa y eficiente de energía eléctrica al gas en circulación. Inicialmente, el plasma formado está cerca del equilibrio termodinámico, pero a medida que el arco se alarga, transita rápidamente a un plasma no térmico y en desequilibrio , caracterizado por diferencias de temperatura significativas entre los electrones y las moléculas de gas. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

En la industria, los arcos eléctricos se utilizan para soldadura , corte por plasma , mecanizado por descarga eléctrica , como lámparas de arco en proyectores de cine y focos en iluminación escénica . Los hornos de arco eléctrico se emplean para producir acero y otras sustancias. El carburo de calcio se fabrica de esta manera, ya que requiere una gran cantidad de energía para promover una reacción endotérmica (a temperaturas de 2500 °C). 

Las lámparas de arco de carbono fueron las primeras luces eléctricas. Se utilizaron para el alumbrado público en el siglo XIX y para aplicaciones especializadas, como reflectores, hasta la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día, los arcos eléctricos se utilizan en numerosas aplicaciones. Por ejemplo, los tubos fluorescentes , las lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos se utilizan para la iluminación; las lámparas de arco de xenón se utilizan para proyectores de cine y focos teatrales.

La formación de un arco eléctrico intenso, similar a un pequeño arco eléctrico , es la base de los detonadores de cable explosivo .

Los arcos eléctricos se utilizan en el sistema de propulsión por arco eléctrico , una forma de propulsión eléctrica para naves espaciales.

Se utilizan en el laboratorio para espectroscopia con el fin de crear emisiones espectrales mediante el calentamiento intenso de una muestra de materia .

Entretenimiento visual

Una escalera de Jacob (o, más formalmente, un arco eléctrico de alto voltaje ) es un dispositivo que produce una sucesión continua de arcos eléctricos ascendentes. Su nombre proviene de la Escalera de Jacob que conduce al cielo , descrita en la Biblia. Al igual que en los arcos eléctricos, el espacio entre electrodos se forma mediante dos cables que se extienden desde la base hasta la parte superior.

Cuando se aplica un alto voltaje al espacio, se forma una chispa en la parte inferior de los cables donde están más cerca entre sí, transformándose rápidamente en un arco eléctrico. El aire se ioniza a unos 30  kV/cm, ^{[ 15 ]} dependiendo de la humedad, la temperatura, etc. Aparte de las caídas de voltaje del ánodo y el cátodo, el arco se comporta casi como un cortocircuito , consumiendo tanta corriente como la fuente de alimentación eléctrica puede suministrar, y la carga elevada reduce drásticamente el voltaje a través del espacio.

El aire ionizado y calentado asciende, arrastrando consigo la corriente eléctrica. A medida que la estela de ionización se alarga, se vuelve cada vez más inestable, hasta que finalmente se rompe. El voltaje entre los electrodos aumenta y la chispa se regenera en la parte inferior del dispositivo.

Este ciclo produce una exhibición de aspecto exótico de arcos eléctricos blancos, amarillos, azules o morados, que se ve a menudo en películas de terror y películas sobre científicos locos . El dispositivo era un elemento básico en las escuelas y ferias de ciencias de las décadas de 1950 y 1960, generalmente construido a partir de una bobina de chispa de un 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 hornos microondas conectados en serie, multiplicadores de voltaje ^{[ 16 ] [ 17 ]} y transformadores de postes de servicios públicos (pole pigs) funcionando en sentido inverso (elevadores).

Contenido multimedia relacionado con la escalera de Jacob en Wikimedia Commons.

Los arcos eléctricos no deseados o involuntarios pueden tener efectos perjudiciales en la transmisión y distribución de energía eléctrica , así como en los equipos electrónicos . Entre los dispositivos que pueden provocar arcos eléctricos se incluyen interruptores, disyuntores, contactos de relés, 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 entre los contactos de separación. Los dispositivos de conmutación susceptibles a la formación de arcos eléctricos suelen estar diseñados para contener y extinguir un arco, y los circuitos de amortiguación pueden proporcionar una vía para las corrientes transitorias, evitando así la formación de arcos. Si un circuito tiene suficiente corriente y voltaje para mantener un arco formado fuera de un dispositivo de conmutación, este puede causar daños al equipo, como la fusión de conductores, la destrucción del aislamiento e incendios. Un arco eléctrico describe un evento eléctrico explosivo que representa un peligro para las personas y los equipos.

Los arcos eléctricos no deseados en los contactos eléctricos de contactores , relés e interruptores pueden reducirse mediante dispositivos como supresores de arco de contacto ^{[ 20 ]} y amortiguadores RC o mediante técnicas que incluyen:

• inmersión en aceite de transformador , gas dieléctrico o vacío
• paracaídas de arco
• explosiones magnéticas
• reventones neumáticos
• contactos de sacrificio ("arco")
• materiales amortiguadores para absorber la energía del arco eléctrico, ya sea térmicamente o mediante descomposición química.

También puede producirse un arco eléctrico cuando se forma un canal de baja resistencia (objeto extraño, polvo conductor , humedad, etc.) entre puntos con diferente voltaje. Este canal conductor facilita la formación de un arco eléctrico. El aire ionizado tiene una alta conductividad eléctrica, similar a la de los metales, y puede conducir corrientes extremadamente altas, provocando un cortocircuito y la activación de los dispositivos de protección ( fusibles e interruptores automáticos ). Una situación similar puede ocurrir cuando una bombilla se funde y los fragmentos del filamento generan un arco eléctrico entre los terminales internos, lo que produce una sobrecorriente que activa los interruptores automáticos.

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 "seguimiento de carbono", que afecta negativamente a sus propiedades aislantes. La susceptibilidad al arco, o "resistencia de la pista", se prueba según la norma ASTM D495, mediante electrodos puntuales y arcos continuos e intermitentes; se mide en segundos necesarios para formar una pista conductora en condiciones de alta tensión y baja corriente. ^{[ 21 ]} Algunos materiales son menos susceptibles a la degradación que otros. Por ejemplo, el politetrafluoroetileno tiene una resistencia al arco de unos 200 segundos (3,3 minutos). Entre los plásticos termoendurecibles , las resinas alquídicas y de melamina son mejores que las resinas fenólicas . Los polietilenos tienen una resistencia al arco de unos 150 segundos; los poliestirenos y los cloruros de polivinilo tienen una resistencia relativamente baja de unos 70 segundos. Los plásticos pueden formularse para emitir gases con propiedades extintoras de arco; estos se conocen como plásticos extintores de arco . ^{[ 22 ]}

En algunos tipos de placas de circuitos impresos , la formación de arcos eléctricos, posiblemente debido a grietas en las pistas o a la falla de una soldadura, provoca que la capa aislante afectada se vuelva conductora, ya que el dieléctrico se quema debido a las altas temperaturas. Esta conductividad prolonga la formación del arco eléctrico debido a la falla en cascada de la superficie.

La supresión de arco es un método para intentar reducir o eliminar un arco eléctrico. Existen varias áreas posibles de uso de los métodos de supresión de arco, entre ellas la deposición de películas metálicas y la pulverización catódica , la protección contra arcos eléctricos, los procesos electrostáticos donde no se desean arcos eléctricos (como la pintura en polvo , la purificación del aire , la polarización de películas de PVDF ) y la supresión de arco por corriente de contacto. En el diseño de electrónica industrial, militar y de consumo, este último método se aplica generalmente a dispositivos como interruptores de potencia electromecánicos, relés y contactores. En este contexto, la supresión de arco utiliza la protección de contacto .

Parte de la energía de un arco eléctrico forma nuevos compuestos químicos a partir del aire que lo rodea: entre ellos se encuentran óxidos de nitrógeno y ozono , este último detectable por su característico olor penetrante. Estos compuestos químicos pueden ser producidos por contactos de alta potencia en relés y conmutadores de motores, y son corrosivos para las superficies metálicas cercanas. El arco eléctrico también erosiona las superficies de los contactos, desgastándolos y generando una alta resistencia de contacto al cerrarse. ^{[ 23 ]}

La exposición a un dispositivo que produce un arco eléctrico puede suponer riesgos para la salud. Un arco formado en el aire ioniza el oxígeno y el nitrógeno, que luego pueden transformarse en moléculas reactivas como el ozono y el óxido nítrico . Estos productos pueden dañar las membranas mucosas . Las plantas también son susceptibles a la intoxicación por ozono. Estos riesgos son mayores cuando el arco es continuo y se produce en un espacio cerrado, como una habitación. Un arco que se produce al aire libre es menos peligroso porque los gases ionizados calentados se elevan y se disipan en la atmósfera. Los descargadores de chispa que solo producen chispas cortas de forma intermitente también son mínimamente peligrosos porque el volumen de iones generados es muy pequeño.

Los arcos eléctricos también pueden producir un amplio espectro de longitudes de onda que abarca la luz visible y el espectro ultravioleta e infrarrojo invisible. Los arcos muy intensos generados mediante técnicas como la soldadura por arco pueden producir cantidades significativas de radiación ultravioleta, que daña la córnea del observador y puede causar quemaduras solares . Estos arcos solo deben observarse a través de filtros oscuros especiales, como un casco de soldadura , que reducen la intensidad del arco y protegen los ojos del observador de los rayos ultravioleta. La piel expuesta debe cubrirse con ropa.

Los arcos eléctricos generados por equipos de alta corriente son extremadamente peligrosos. Pueden expulsar violentamente plasma y metal fundido, la intensa radiación puede incendiar rápidamente la ropa y causar quemaduras mortales incluso a cierta distancia, y puede producirse una explosión de alta presión. Trabajar cerca de equipos que puedan generar un arco eléctrico de este tipo requiere equipo de protección con la capacidad de resistir la cantidad de energía que podría liberarse en caso de una falla.

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