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chispa eléctrica

Una chispa en una bujía El rayo es un ejemplo natural de chispa eléctrica. Una chispa eléctrica es una descarga eléctrica abrupta que se produce cuando un campo eléctrico sufici...

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Una chispa en una bujía
El rayo es un ejemplo natural de chispa eléctrica.

Una chispa eléctrica es una descarga eléctrica abrupta que se produce cuando un campo eléctrico suficientemente alto crea un canal ionizado y conductor de electricidad a través de un medio normalmente aislante, a menudo aire u otros gases o mezclas de gases. Michael Faraday describió este fenómeno como "el hermoso destello de luz que acompaña a la descarga de la electricidad común". [ 1 ]

La rápida transición de un estado no conductor a uno conductor produce una breve emisión de luz y un chasquido o crujido agudo. Se crea una chispa cuando el campo eléctrico aplicado supera la rigidez dieléctrica del medio intermedio. Para el aire, la rigidez dieléctrica es de aproximadamente 30 kV/cm a nivel del mar. [ 2 ] Experimentalmente, este valor tiende a variar según la humedad, la presión atmosférica, la forma de los electrodos (de aguja y de plano de tierra, hemisféricos, etc.) y la distancia correspondiente entre ellos, e incluso el tipo de forma de onda, ya sea sinusoidal o cosenoidal-rectangular.

En las etapas iniciales, los electrones libres en el espacio (provenientes de rayos cósmicos o radiación de fondo ) son acelerados por el campo eléctrico, lo que da lugar a una avalancha de Townsend . Al colisionar con las moléculas de aire, crean iones adicionales y electrones recién liberados que también se aceleran. En algún momento, la energía térmica proporcionará una fuente mucho mayor de iones. El aumento exponencial de electrones e iones provoca rápidamente que regiones del aire en el espacio se vuelvan eléctricamente conductoras en un proceso llamado ruptura dieléctrica . Una vez que se produce la ruptura, el flujo de corriente está limitado por la carga disponible (para una descarga electrostática ) o por la impedancia de la fuente de alimentación externa . Si la fuente de alimentación continúa suministrando corriente, la chispa evolucionará hasta convertirse en una descarga continua llamada arco eléctrico . También puede producirse una chispa eléctrica dentro de líquidos o sólidos aislantes, pero con mecanismos de ruptura diferentes a los de las chispas en gases.

A veces, las chispas pueden ser peligrosas. Pueden provocar incendios y quemaduras en la piel.

Los relámpagos son un ejemplo de chispa eléctrica en la naturaleza, mientras que las chispas eléctricas, grandes o pequeñas, se producen en o cerca de muchos objetos fabricados por el hombre, tanto intencionadamente como, a veces, por accidente.

Historia

Benjamin Franklin provocó una chispa eléctrica en su dedo al tocar una llave suspendida de la cuerda de una cometa.

En 1671, Leibniz descubrió que las chispas estaban asociadas con fenómenos eléctricos. [ 3 ] En 1708, Samuel Wall realizó experimentos con ámbar frotado con tela para producir chispas. [ 4 ] En 1752, Thomas-François Dalibard , actuando sobre un experimento propuesto por Benjamin Franklin , hizo que un dragón francés retirado llamado Coiffier en el pueblo de Marly recolectara rayos en una botella de Leyden [ 5 ] demostrando así que los rayos y la electricidad son lo mismo. En el famoso experimento de la cometa de Franklin , logró extraer chispas de una nube durante una tormenta eléctrica.

Usos

Quemador de estufa de gas: el encendedor de chispa eléctrica se muestra a la izquierda.
Transmisor de chispa utilizado para la comunicación barco-costa hasta 10  km ( c. 1900 ).

Fuentes de ignición

Las bujías de los motores de combustión interna de gasolina utilizan chispas eléctricas para encender la mezcla de combustible y aire. [ 6 ] La descarga eléctrica en una bujía se produce entre un electrodo central aislado y un terminal conectado a tierra en la base de la bujía. El voltaje para la chispa lo proporciona una bobina de encendido o un magneto conectado a la bujía mediante un cable aislado.

En algunos hornos y estufas de gas , los encendedores de llama utilizan chispas eléctricas para iniciar la combustión en lugar de una llama piloto . [ 7 ] El reencendido automático es una función de seguridad que se utiliza en algunos encendedores de llama y que detecta la conductividad eléctrica de la llama y utiliza esta información para determinar si la llama del quemador está encendida. [ 8 ] Esta información se utiliza para evitar que el dispositivo de ignición genere chispas después de que la llama se haya encendido o para reiniciar la llama si se apaga.

Comunicaciones por radio

Un transmisor de chispa utiliza una chispa eléctrica para generar radiación electromagnética de radiofrecuencia que puede emplearse como transmisor para la comunicación inalámbrica . [ 9 ] Los transmisores de chispa se utilizaron ampliamente durante las tres primeras décadas de la radio , de 1887 a 1916. Posteriormente fueron reemplazados por sistemas de tubos de vacío y, para 1940, ya no se utilizaban para la comunicación. El uso generalizado de los transmisores de chispa dio origen al apodo de "chispas" para el oficial de radio de un barco.

Metalurgia

Las chispas eléctricas se utilizan en diferentes tipos de metalurgia . El mecanizado por descarga eléctrica (EDM, por sus siglas en inglés) también se conoce como mecanizado por chispa y utiliza una descarga eléctrica para eliminar material de una pieza de trabajo. [ 10 ] El mecanizado por descarga eléctrica se utiliza para metales duros o aquellos que son difíciles de mecanizar con técnicas tradicionales.

La sinterización por plasma de chispa (SPS) es una técnica de sinterización que utiliza una corriente continua pulsada que pasa a través de un polvo conductor en un molde de grafito . [ 11 ] La SPS es más rápida que el prensado isostático en caliente convencional , donde el calor es proporcionado por elementos calefactores externos .

Análisis químico

La luz que se produce por las chispas eléctricas se puede recoger y utilizar para un tipo de espectroscopia llamada espectroscopia de emisión de chispa . [ 12 ]

Se puede utilizar un láser pulsado de alta energía para producir una chispa eléctrica. La espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) es un tipo de espectroscopia de emisión atómica que utiliza un láser de alta energía pulsada para excitar los átomos de una muestra. La LIBS también se conoce como espectroscopia de chispa láser (LSS). [ 13 ]

Las chispas eléctricas también se pueden usar para crear iones para espectrometría de masas . [ 14 ] La descarga de chispa también se ha aplicado en la detección electroquímica a través de la modificación superficial in situ de electrodos de carbono serigrafiados desechables (SPE) con varias fuentes de metal y carbono. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

Peligros

Una chispa eléctrica producida por una pistola paralizante . A 150.000 voltios, la chispa puede saltar fácilmente un espacio mayor de 25 mm (1 pulgada) .  

Las chispas pueden ser peligrosas para las personas, los animales e incluso los objetos inanimados. Las chispas eléctricas pueden encender materiales, líquidos, gases y vapores inflamables. Incluso las descargas estáticas accidentales o las pequeñas chispas que se producen al encender luces u otros circuitos pueden ser suficientes para encender vapores inflamables procedentes de fuentes como gasolina, acetona, propano o concentraciones de polvo en el aire, como las que se encuentran en molinos harineros o, en general, en fábricas que manipulan polvos. [ 20 ] [ 21 ]

Las chispas suelen indicar la presencia de un alto voltaje o "campo potencial". Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la distancia que puede recorrer una chispa a través de un espacio, y con suficiente energía, puede provocar descargas más intensas, como un resplandor o un arco eléctrico . Cuando una persona está cargada con electricidad estática de alto voltaje o se encuentra en presencia de fuentes de alta tensión, una chispa puede saltar entre un conductor y la persona, liberando energías mucho mayores que pueden causar quemaduras graves, provocar la parada cardíaca y de los órganos internos , o incluso convertirse en un arco eléctrico .

Las chispas de alto voltaje, incluso aquellas con baja energía como las de una pistola paralizante , pueden sobrecargar las vías conductoras del sistema nervioso, causando contracciones musculares involuntarias o interfiriendo con funciones vitales del sistema nervioso, como el ritmo cardíaco. Cuando la energía es lo suficientemente baja, la mayor parte puede usarse simplemente para calentar el aire, por lo que la chispa nunca se estabiliza completamente en un brillo o arco. Sin embargo, las chispas con muy baja energía aún producen un "túnel de plasma" a través del aire, por donde puede pasar la electricidad. Este plasma se calienta a temperaturas a menudo superiores a la superficie del Sol y puede causar quemaduras pequeñas y localizadas. A menudo se utilizan líquidos, geles o ungüentos conductores al aplicar electrodos al cuerpo de una persona, evitando que se formen chispas en el punto de contacto y dañen la piel. De manera similar, las chispas pueden dañar metales y otros conductores, ablacionando o picando la superficie; un fenómeno que se aprovecha en el grabado eléctrico . Las chispas también producen ozono que, en concentraciones suficientemente altas, puede causar molestias o dificultad respiratoria, picazón o daño tisular, y puede ser perjudicial para otros materiales como ciertos plásticos. [ 22 ] [ 23 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Faraday, Investigaciones experimentales en electricidad , volumen 1, párrafo 69.
  2. ↑ Meek, J. (1940). "Una teoría de la descarga de chispa". Physical Review . 57 (8): 722– 728. Bibcode : 1940PhRv...57..722M . doi : 10.1103/PhysRev.57.722 .
  3. ↑ Kryzhanovsky, LN (1989). "Mapeando la historia de la electricidad". Scientometrics . 17 ( 1– 2): 165– 170. doi : 10.1007/BF02017730 . S2CID 10668311 . 
  4. ↑ Heilbron, JL; Heilborn, JL (1979). Electricidad en los siglos XVII y XVIII: un estudio de la física moderna temprana . Berkeley: University of California Press . ISBN 978-0-520-03478-5.
  5. ↑ Michael Brian Schiffer, Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment. University of California Press, pág. 164
  6. ↑ Day, John (1975). El libro de Bosch sobre el automóvil, su evolución y desarrollo de ingeniería . St. Martin's Press. págs. 206–207 . LCCN 75-39516 . OCLC 2175044 .   
  7. ↑ Bill Whitman; Bill Johnson; John Tomczyck (2004). Tecnología de refrigeración y aire acondicionado, 5.ª ed . Clifton Park, NY: Thomson Delmar Learning . págs. 677 y ss. ISBN  978-1-4018-3765-5.
  8. ↑ Ed Sobey (2010). Cómo funcionan las cocinas: La ciencia detrás del microondas, la sartén de teflón, el triturador de basura y más . Chicago, Ill: Chicago Review Press . pág. 116. ISBN  978-1-56976-281-3.
  9. ↑ Beauchamp, KG (2001). Historia de la telegrafía . Londres: Institution of Electrical Engineers. ISBN 978-0-85296-792-8.
  10. ↑ Jameson, Elman C. (2001). Mecanizado por descarga eléctrica . Dearborn, Michigan: Society of Manufacturing Engineers. ISBN 978-0-87263-521-0.
  11. ↑ Munir, ZA; Anselmi-Tamburini, U.; Ohyanagi, M. (2006). "El efecto del campo eléctrico y la presión en la síntesis y consolidación de materiales: una revisión del método de sinterización por plasma de chispa". Journal of Materials Science . 41 (3): 763. Bibcode : 2006JMatS..41..763M . doi : 10.1007/s10853-006-6555-2 . S2CID 73570418 . 
  12. ↑ Walters, JP (1969). "Avances históricos en la espectroscopia de emisión de chispa". Applied Spectroscopy . 23 (4): 317– 331. Bibcode : 1969ApSpe..23..317W . doi : 10.1366/000370269774380662 . S2CID 96919495 . 
  13. ↑ Radziemski, Leon J.; Cremers, David A. (2006). Manual de espectroscopia de ruptura inducida por láser . Nueva York: John Wiley. ISBN 978-0-470-09299-6.
  14. ↑ Dempster, AJ (1936). "Fuentes de iones para espectroscopia de masas". Review of Scientific Instruments . 7 (1): 46– 49. Bibcode : 1936RScI....7...46D . doi : 10.1063/1.1752028 .
  15. ↑ Trachioti, Maria G.; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (mayo de 2018). "Determinación de Cd y Zn con electrodos serigrafiados "verdes" modificados con nanopartículas de estaño preparadas instantáneamente mediante chispa". Sensors and Actuators B: Chemical . 260 : 1076–1083 . doi : 10.1016/j.snb.2017.10.039 .
  16. ↑ Trachioti, Maria G.; Karantzalis, Alexandros E.; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (febrero de 2019). "Sensores serigrafiados de bajo costo bajo demanda: nanopartículas de oro chispeadas preparadas instantáneamente a partir de aleación eutéctica Au/Si para la determinación de arsénico a nivel de sub-ppb". Sensors and Actuators B: Chemical . 281 : 273–280 . doi : 10.1016/j.snb.2018.10.112 . S2CID 106204477 . 
  17. ↑ Trachioti, Maria G.; Tzianni, Eleni I.; Riman, Daniel; Jurmanova, Jana; Prodromidis, Mamas I.; Hrbac, Jan (mayo de 2019). "Cobertura extendida de electrodos de grafito serigrafiados mediante nanopartículas de oro producidas por descarga de chispa con un dispositivo de posicionamiento 3D. Evaluación de las características de voltaje-tiempo de chispa para desarrollar sensores con propiedades electrocatalíticas avanzadas". Electrochimica Acta . 304 : 292–300 . doi : 10.1016/j.electacta.2019.03.004 . S2CID 104377649 . 
  18. ↑ Trachioti, Maria G.; Hemzal, Dusan; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (mayo de 2020). "Generación de nanomateriales de grafito a partir de minas de lápiz con la ayuda de un dispositivo de chispa de posicionamiento 3D: Aplicación a la determinación voltamétrica de explosivos nitroaromáticos". Sensors and Actuators B: Chemical . 310 127871. doi : 10.1016/j.snb.2020.127871 . S2CID 213989070 . 
  19. ↑ Trachioti, Maria G.; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (octubre de 2021). "Determinación de 8−hidroxi−2ˊ−desoxiguanosina en orina con electrodos serigrafiados de grafito con chispa en modo "lineal"". Electrochimica Acta . 399 139371. doi : 10.1016/j.electacta.2021.139371 . ISSN 0013-4686 . S2CID 240654358 .  
  20. ↑ Introducción a las ciencias físicas por James Shipman, Jerry D. Wilson, Charles A. Higgins, Omar Torres -- Cengage Learning 2016 Página 202
  21. ↑ Riesgos electrostáticos de explosión de polvo https://powderprocess.net/Safety/Electrostatics_Risks_ATEX_DSEAR.html Archivado el 7 de febrero de 2019 en Wayback Machine
  22. ↑ Gestión de energía peligrosa: desactivación, desenergización, aislamiento y bloqueo. Por Thomas Neil McManus -- CRC Press 2013 Páginas 79-80, 95-96, 231, 346, 778, 780
  23. ↑ Peligros electrostáticos por Günter Luttgens, Norman Wilson -- Reed Professional and Educational Publishing Ltd. 1997
  • Szikrakisülés (1)...(4) Chispa eléctrica (1)...(4). Vídeos en el portal FizKapu (en húngaro) .