Cuando se habla de las características de un arco voltaico, vale la pena mencionar que tiene un voltaje más bajo que una descarga luminiscente y depende de la radiación termoiónica de los electrones de los electrodos que soportan el arco. En los países de habla inglesa, este término se considera arcaico y obsoleto.
Las técnicas de supresión de arco se pueden utilizar para reducir la duración del arco o la probabilidad de arco.
A finales de 1800, el arco voltaico fue ampliamente utilizado para el alumbrado público. Algunos arcos eléctricos de baja presión se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, para la iluminación se utilizan lámparas fluorescentes, lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos. Las lámparas de arco de xenón se utilizaron para proyectores de películas.
Abriendo el arco voltaico
Se cree que este fenómeno fue descrito por primera vez por Sir Humphry Davy en un artículo de 1801 publicado en el Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts de William Nicholson. Sin embargo, el fenómeno descrito por Davy no fue un arco eléctrico, sino solo una chispa. Exploradores posterioresescribió: “Obviamente, esta es una descripción no de un arco, sino de una chispa. La esencia del primero es que debe ser continuo, y sus polos no deben tocarse después de que haya surgido. La chispa creada por Sir Humphry Davy claramente no era continua, y aunque permaneció cargada durante algún tiempo después del contacto con los átomos de carbono, lo más probable es que no hubo conexión del arco, lo cual es necesario para su clasificación como voltaico.
En el mismo año, Davy demostró públicamente el efecto ante la Royal Society haciendo pasar una corriente eléctrica a través de dos varillas de carbono que se tocaban y luego separándolas a una corta distancia. La demostración mostró un arco "débil", apenas distinguible de una chispa constante, entre puntos de carbón. La comunidad científica le proporcionó una batería más potente de 1000 placas, y en 1808 demostró la aparición de un arco voltaico a gran escala. También se le atribuye su nombre en inglés (electric arc). Lo llamó arco porque toma la forma de un arco hacia arriba cuando la distancia entre los electrodos se vuelve cercana. Esto se debe a las propiedades conductoras del gas caliente.
¿Cómo apareció el arco voltaico? El primer arco continuo se registró de forma independiente en 1802 y se describió en 1803 como "un líquido especial con propiedades eléctricas" por el científico ruso Vasily Petrov, que estaba experimentando con una batería de cobre-zinc de 4200 discos.
Estudio adicional
A finales del siglo XIX, el arco voltaico fue ampliamenteutilizado para el alumbrado público. La tendencia de los arcos eléctricos a parpadear y silbar era un problema importante. En 1895, Hertha Marx Ayrton escribió una serie de artículos sobre electricidad, explicando que el arco voltaico era el resultado del oxígeno que entraba en contacto con las varillas de carbono utilizadas para crear el arco.
En 1899, fue la primera mujer en presentar su propia ponencia ante el Instituto de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su informe se tituló "El mecanismo del arco eléctrico". Poco después, Ayrton fue elegida como la primera mujer miembro del Instituto de Ingenieros Eléctricos. La siguiente mujer fue admitida en el instituto ya en 1958. Ayrton solicitó leer un artículo ante la Royal Society, pero no se le permitió hacerlo debido a su género, y John Perry leyó El mecanismo del arco eléctrico en su lugar en 1901.
Descripción
Un arco eléctrico es un tipo de descarga eléctrica con la mayor densidad de corriente. La corriente máxima consumida a través del arco está limitada únicamente por el entorno, no por el arco mismo.
El arco entre dos electrodos puede iniciarse por ionización y descarga luminiscente cuando aumenta la corriente a través de los electrodos. El voltaje de ruptura del espacio entre electrodos es una función combinada de la presión, la distancia entre los electrodos y el tipo de gas que rodea a los electrodos. Cuando comienza un arco, su voltaje terminal es mucho menor que el de una descarga luminiscente y la corriente es mayor. Un arco en gases cerca de la presión atmosférica se caracteriza por luz visible, alta densidad de corriente y alta temperatura. Se diferencia de una descarga luminiscente en que las temperaturas efectivas tanto de los electrones como de los iones positivos son aproximadamente las mismas, y en una descarga luminiscente, los iones tienen una energía térmica mucho menor que los electrones.
Al soldar
Un arco extendido puede ser iniciado por dos electrodos inicialmente en contacto y separados durante el experimento. Esta acción puede iniciar un arco sin una descarga luminiscente de alto voltaje. Esta es la forma en que el soldador comienza a soldar la unión tocando instantáneamente el electrodo de soldadura con la pieza de trabajo.
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.
Arco voltaico: características
La resistencia eléctrica a lo largo de un arco continuo crea calor que ioniza más moléculas de gas (donde el grado de ionización está determinado por la temperatura), y de acuerdo con esta secuencia, el gas se convierte gradualmente en un plasma térmico que está en equilibrio térmico ya que la temperatura se distribuye de manera relativamente uniforme para todos los átomos, moléculas, iones y electrones. La energía transferida por los electrones se dispersa rápidamente con partículas más pesadas a través de colisiones elásticas debido a su alta movilidad y gran número.
La corriente en el arco se sustenta en la emisión termoiónica y de campo de electrones en el cátodo. Actualse puede concentrar en un punto caliente muy pequeño en el cátodo, del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado. En contraste con la descarga luminiscente, la estructura del arco apenas se distingue, ya que la columna positiva es bastante brillante y se extiende casi hasta los electrodos en ambos extremos. La caída del cátodo y la caída del ánodo de unos pocos voltios ocurren dentro de una fracción de milímetro de cada electrodo. La columna positiva tiene un gradiente de voltaje más bajo y puede estar ausente en arcos muy cortos.
Arco de baja frecuencia
El arco de CA de baja frecuencia (menos de 100 Hz) se parece al arco de CC. En cada ciclo, el arco se inicia por una ruptura y los electrodos cambian de función cuando la corriente cambia de dirección. A medida que aumenta la frecuencia de la corriente, no hay suficiente tiempo para la ionización en la divergencia en cada medio ciclo, y ya no se necesita la ruptura para mantener el arco: la característica de voltaje y corriente se vuelve más óhmica.
Un lugar entre otros fenómenos físicos
Diferentes formas de arco son propiedades emergentes de patrones de campos eléctricos y corrientes no lineales. El arco se produce en un espacio lleno de gas entre dos electrodos conductores (a menudo de tungsteno o de carbono), lo que genera temperaturas muy altas capaces de fundir o vaporizar la mayoría de los materiales. Un arco eléctrico es una descarga continua, mientras que la descarga de una chispa eléctrica similar es instantánea. Un arco voltaico puede ocurrir en circuitos de CC o en circuitos de CA. En este último caso, ella podrágolpear cada medio ciclo 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 voltaje dentro del arco es baja. En el cátodo, la densidad de corriente puede alcanzar un megaamperio por centímetro cuadrado.
Potencial destructivo
El arco eléctrico tiene una relación no lineal entre la corriente y el voltaje. Una vez que se ha creado el arco (ya sea progresando desde una descarga luminiscente o tocando momentáneamente los electrodos y luego separándolos), el aumento de corriente da como resultado un voltaje más bajo entre las terminales del arco. Este efecto de resistencia negativa requiere que se coloque alguna forma de impedancia positiva (como balasto eléctrico) en el circuito para mantener un arco estable. Esta propiedad es lo que hace que los arcos eléctricos descontrolados en una máquina sean tan destructivos, ya que una vez que se produce el arco, extraerá más y más corriente de la fuente de voltaje de CC hasta que el dispositivo se destruya.
Aplicación práctica
A escala industrial, los arcos eléctricos se utilizan para soldadura, corte por plasma, mecanizado por descarga eléctrica, como lámpara de arco en proyectores de películas y en iluminación. Los hornos de arco eléctrico se utilizan para producir acero y otras sustancias. El carburo de calcio se obtiene de esta forma, ya que para lograr una reacción endotérmica (a temperaturas de 2500 °C) se necesita una gran cantidad deenergía.
Las luces de arco de carbono fueron las primeras luces eléctricas. Se utilizaron para farolas en el siglo XIX y para dispositivos especializados como reflectores hasta la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día, los arcos eléctricos de baja presión se utilizan en muchas áreas. Por ejemplo, las lámparas fluorescentes, de mercurio, de sodio y de halogenuros metálicos se utilizan para la iluminación, mientras que las lámparas de arco de xenón se utilizan para los proyectores de películas.
La formación de un arco eléctrico intenso, como un arco eléctrico a pequeña escala, es la base de los detonadores explosivos. Cuando los científicos aprendieron qué es un arco voltaico y cómo se puede usar, los explosivos efectivos repusieron la variedad de armas del mundo.
La principal aplicación restante es la aparamenta de alta tensión para redes de transmisión. Los dispositivos modernos también utilizan hexafluoruro de azufre de alta presión.
Conclusión
A pesar de la frecuencia de las quemaduras por arco voltaico, se considera un fenómeno físico muy útil, todavía ampliamente utilizado en la industria, la fabricación y los artículos decorativos. Tiene su propia estética y a menudo aparece en películas de ciencia ficción. La derrota del arco voltaico no es fatal.
