avería eléctrica

La intensidad del campo eléctrico (en voltios por metro) a la que se produce la ruptura dieléctrica es una propiedad intrínseca del material aislante, denominada rigidez dieléctrica . El campo eléctrico suele ser causado por una tensión aplicada a través del material. La tensión aplicada necesaria para provocar la ruptura en un objeto aislante determinado se denomina tensión de ruptura del objeto . El campo eléctrico creado en un objeto aislante determinado por una tensión aplicada varía en función del tamaño y la forma del objeto, así como de la ubicación de los contactos eléctricos donde se aplica la tensión. Por lo tanto, además de la rigidez dieléctrica del material, la tensión de ruptura depende de estos factores.

En una lámina plana de aislante entre dos electrodos metálicos planos, el campo eléctrico${\displaystyle E}$es proporcional al voltaje${\displaystyle V}$dividido por el espesor${\displaystyle D}$del aislante, por lo que en general la tensión de ruptura${\displaystyle V_{\text{b}}}$es proporcional a la fuerza dieléctrica${\displaystyle E_{\text{ds}}}$y la longitud del aislamiento entre dos conductores

${\displaystyle V_{\text{b}}=DE_{\text{ds}}}$

Sin embargo, la forma de los conductores puede influir en la tensión de ruptura.

La ruptura dieléctrica es un proceso local, y en un medio aislante sometido a una alta diferencia de voltaje comienza en cualquier punto del aislante donde el campo eléctrico supere por primera vez la rigidez dieléctrica local del material. Dado que el campo eléctrico en la superficie de un conductor es máximo en las partes sobresalientes, puntas afiladas y bordes, para un conductor inmerso en un aislante homogéneo como el aire o el aceite, la ruptura generalmente comienza en estos puntos. En un aislante sólido, la ruptura suele comenzar en un defecto local, como una grieta o burbuja en un aislante cerámico. Si el voltaje es suficientemente bajo, la ruptura puede permanecer limitada a esta pequeña región; esto se denomina descarga parcial . En un gas adyacente a un conductor con punta afilada, los procesos de ruptura local, descarga de corona o descarga de cepillo , pueden permitir que la corriente se filtre del conductor al gas en forma de iones. Sin embargo, generalmente en un aislante sólido homogéneo, después de que una región se ha roto y se ha vuelto conductora, no hay caída de voltaje a través de ella, y la diferencia de voltaje total se aplica a la longitud restante del aislante. Dado que la caída de voltaje ahora se produce en una longitud más corta, esto crea un campo eléctrico más intenso en el material restante, lo que provoca que se produzca una mayor ruptura dieléctrica. Así, la región de ruptura se propaga rápidamente (en nanosegundos) en la dirección del gradiente de voltaje (campo eléctrico) desde un extremo del aislante al otro, hasta que se crea un camino conductor continuo a través del material entre los dos contactos que aplican la diferencia de voltaje, permitiendo que fluya una corriente entre ellos e iniciando un arco eléctrico .

La ruptura dieléctrica también puede ocurrir sin la aplicación de voltaje, debido a una onda electromagnética. Cuando una onda electromagnética suficientemente intensa atraviesa un medio material, el campo eléctrico de la onda puede ser lo suficientemente fuerte como para causar una ruptura dieléctrica temporal. Por ejemplo, un rayo láser enfocado en un punto pequeño en el aire puede causar una ruptura dieléctrica e ionización del aire en el punto focal.

En los circuitos eléctricos prácticos , la ruptura dieléctrica suele ser un suceso indeseado: un fallo del material aislante que provoca un cortocircuito , pudiendo resultar en una avería catastrófica del equipo. En los circuitos de potencia, la caída repentina de la resistencia provoca que fluya una corriente elevada a través del material, iniciando un arco eléctrico . Si los dispositivos de seguridad no interrumpen la corriente rápidamente, el calentamiento Joule extremo y repentino puede provocar que el material aislante u otras partes del circuito se fundan o se vaporicen de forma explosiva, dañando el equipo y creando un riesgo de incendio. Sin embargo, los dispositivos de protección externos en el circuito, como los disyuntores y los limitadores de corriente , pueden evitar la alta corriente. Además, el proceso de ruptura en sí mismo no es necesariamente destructivo y puede ser reversible, como por ejemplo en un tubo de lámpara de descarga de gas . Si la corriente suministrada por el circuito externo se interrumpe con la suficiente rapidez, no se produce ningún daño en el material, y la reducción de la tensión aplicada provoca una transición de vuelta al estado aislante del material.

Los rayos y las chispas debidas a la electricidad estática son ejemplos naturales de la ruptura dieléctrica del aire. La ruptura dieléctrica forma parte del modo de funcionamiento normal de varios componentes eléctricos , como lámparas de descarga de gas (como las fluorescentes y las de neón) , diodos Zener , diodos de avalancha , diodos IMPATT , rectificadores de vapor de mercurio , tubos tiratrón , ignitrón y krytrón , y bujías .

En materiales sólidos (como en los cables de alimentación ), una descarga parcial prolongada, causada por un defecto como una grieta o una burbuja, suele preceder a la ruptura dieléctrica. Esta descarga parcial consiste en la ionización y el calentamiento localizados de la zona, lo que degrada los aislantes y metales más cercanos al defecto. Finalmente, la descarga parcial carboniza el material a través de un canal que conduce la corriente eléctrica a través del espacio entre los electrodos.

Entre los posibles mecanismos de ruptura en líquidos se incluyen burbujas, pequeñas impurezas y sobrecalentamiento eléctrico . El proceso de ruptura en líquidos se complica por los efectos hidrodinámicos, ya que la intensidad del campo eléctrico no lineal en el espacio entre los electrodos ejerce una presión adicional sobre el fluido.

En los gases licuados que se utilizan como refrigerantes para la superconductividad , como el helio a 4,2  K o el nitrógeno a 77  K , las burbujas pueden provocar una ruptura dieléctrica.

En los transformadores refrigerados y aislados con aceite , la rigidez dieléctrica para la ruptura es de aproximadamente 20  kV/mm (en comparación con 3  kV/mm para aire seco). A pesar de utilizar aceites purificados, se atribuye la causa a la presencia de pequeñas partículas contaminantes.

La ruptura dieléctrica se produce en un gas cuando se supera su rigidez dieléctrica . Las regiones con fuertes gradientes de voltaje pueden provocar que el gas circundante se ionice parcialmente y comience a conducir. Esto se realiza deliberadamente en descargas de baja presión, como en las lámparas fluorescentes . El voltaje que provoca la ruptura dieléctrica de un gas se aproxima mediante la ley de Paschen .

La descarga parcial en el aire provoca el olor a ozono característico del aire fresco durante las tormentas eléctricas o cerca de equipos de alta tensión. Si bien el aire es normalmente un excelente aislante, cuando se somete a una tensión suficientemente alta (un campo eléctrico de aproximadamente 3  MV/m o 3  kV/mm ^{[ 3 ]} ), puede comenzar a sufrir una ruptura dieléctrica, volviéndose parcialmente conductor. En espacios relativamente pequeños, la tensión de ruptura en el aire es función de la longitud del espacio multiplicada por la presión. Si la tensión es suficientemente alta, la ruptura dieléctrica completa del aire culminará en una chispa o un arco eléctrico que atravesará todo el espacio.

El color de la chispa depende de los gases que componen el medio gaseoso. Si bien las pequeñas chispas generadas por la electricidad estática pueden ser apenas audibles, las chispas más grandes suelen ir acompañadas de un fuerte chasquido o estallido. El rayo es un ejemplo de una chispa inmensa que puede alcanzar muchos kilómetros de longitud y cuyo trueno puede oírse a gran distancia.

Si un fusible o disyuntor no interrumpe la corriente a través de una chispa en un circuito eléctrico, la corriente puede continuar, formando un arco eléctrico muy caliente (aproximadamente 30  000  ° C ). El color del arco depende principalmente de los gases conductores, algunos de los cuales pueden haber sido sólidos antes de vaporizarse y mezclarse con el plasma caliente del arco. Los iones libres dentro y alrededor del arco se recombinan para crear nuevos compuestos químicos, como ozono , monóxido de carbono y óxido nitroso . El ozono se detecta fácilmente debido a su olor característico. ^{[ 4 ]} 

Aunque las chispas y los arcos eléctricos suelen ser indeseables, pueden resultar útiles en aplicaciones como las bujías de los motores de gasolina, la soldadura eléctrica de metales o la fusión de metales en un horno de arco eléctrico . Antes de la descarga de gas, este emite un brillo con colores distintos que dependen de los niveles de energía de los átomos. No todos los mecanismos se comprenden completamente.

Se prevé que el propio sistema de vacío sufra una ruptura eléctrica en el límite de Schwinger o cerca de él .

Antes de la ruptura dieléctrica, existe una relación no lineal entre voltaje y corriente, como se muestra en la figura. En la región  1, hay iones libres que pueden ser acelerados por el campo e inducir una corriente. Estos se saturan tras alcanzar cierto voltaje, generando una corriente constante (región  2). Las regiones  3 y 4 se deben a la avalancha de iones, según lo explica el mecanismo de descarga de Townsend .

Friedrich Paschen estableció la relación entre la condición de ruptura y la tensión de ruptura. Derivó una fórmula que define la tensión de ruptura (${\displaystyle V_{\text{b}}}$) para brechas de campo uniformes en función de la longitud de la brecha (${\displaystyle d}$) y presión de brecha (${\displaystyle p}$). ^{[ 5 ]}

${\displaystyle V_{\text{b}}={Bpd \over \ln \left({Apd \over \ln \left(1+{1 \over \gamma }\right)}\right)}}$

Paschen también derivó una relación entre el valor mínimo de la brecha de presión para la cual ocurre la ruptura con un voltaje mínimo. ^{[ 5 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}(pd)_{\min }&={2.718 \over A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\\V_{{\text{b}},\min }&=2.718{B \over A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\end{aligned}}}$

${\displaystyle A}$y${\displaystyle B}$son constantes que dependen del gas utilizado.

La corona eléctrica a veces se observa como un resplandor azulado alrededor de cables de alta tensión y se escucha como un silbido a lo largo de las líneas eléctricas. También genera ruido de radiofrecuencia que puede percibirse como estática o zumbido en los receptores de radio. Además, la corona eléctrica puede producirse de forma natural como el fuego de San Telmo en puntos elevados, como campanarios, copas de árboles o mástiles de barcos, durante tormentas eléctricas.

Los generadores de ozono por descarga de corona se utilizan desde hace más de 30  años en el proceso de purificación de agua . El ozono es un gas tóxico, incluso más potente que el cloro. En una planta típica de tratamiento de agua potable, el ozono se disuelve en el agua filtrada para eliminar bacterias y destruir virus . El ozono también elimina los malos olores y sabores del agua. La principal ventaja del ozono es que cualquier exceso residual se descompone en oxígeno gaseoso mucho antes de que el agua llegue al consumidor. Esto contrasta con el cloro gaseoso o las sales de cloro, que permanecen en el agua durante más tiempo y pueden ser percibidos por el consumidor.

Si bien la descarga de corona suele ser indeseable, hasta hace poco era esencial para el funcionamiento de las fotocopiadoras ( xerografía ) y las impresoras láser . Muchas fotocopiadoras e impresoras láser modernas ahora cargan el tambor fotoconductor con un rodillo conductor de electricidad, lo que reduce la contaminación por ozono en interiores .

Los pararrayos utilizan la descarga de corona para crear caminos conductores en el aire que apuntan hacia el pararrayos, desviando los rayos potencialmente dañinos lejos de los edificios y otras estructuras. ^{[ 6 ]}

Las descargas de corona también se utilizan para modificar las propiedades superficiales de muchos polímeros . Un ejemplo es el tratamiento de corona de materiales plásticos, que permite que la pintura o la tinta se adhieran correctamente.