capitulo 2.- evolución y aplicaciones de las

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Capítulo 2
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CAPITULO 2.EVOLUCIÓN Y APLICACIONES DE LAS DESCARGAS
ELÉCTRICAS EN GASES
“Somos como enanos a los hombros de gigantes. Podemos ver más,
y más lejos que ellos, no por alguna distinción física nuestra, sino
porque somos levantados por su gran altura”
(Bernardo de Chartres)
2.1. Evolución de las descargas eléctricas en gases
Nuestro actual conocimiento de los fenómenos de descarga eléctrica descansa
sobre las primeras investigaciones y estudios asociados a los fenómenos
electromagnéticos. Como muy bien predijo en 1973, el gran científico escocés
James Clark Maxwell (1831 - 1879), nuestro conocimiento de la electricidad y
del universo en general, ha ido parejo y en algunos casos se ha debido, a los
avances producidos en el campo de las descargas eléctricas. En este apartado
se presentan los principales hitos en la evolución de la teoría de las descargas
eléctricas, dedicándole especial atención a las descargas eléctricas en gases.
Dejando a un lado los primeros experimentos con rayos, que en 1752 realizó el
americano Benjamín Franklin (1706 - 1790), más mortales que esclarecedores,
los primeros estudios de descargas eléctricas en gases, datan del siglo XVIII,
en los que se investigaba la perdida de carga por parte de los cuerpos
rodeados por aire. Uno de los más curiosos, fueron los realizados por el
francés Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806), uno de los padres de la
actual teoría electrostática, que en 1785, llegó a la conclusión de que el aire
podía conducir la electricidad.
Figura 1.- Benjamin Franklin (1706 - 1790) y Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806)
Unos años más tardes, el físico italiano Carlo Matteuci (1811 - 1868), consiguió
medir la perdida de carga por unidad de tiempo. Pero en las “chispas” y
“rupturas” que se producían con estas primeras máquinas electrostáticas, no
era posible mantener los estados estacionarios, ya que no se podían conseguir
las elevadas corrientes necesarias. Cabe decir, que si se hubiesen conseguido,
mediante la tecnología de la época, no hubiese sido posible registrar dichos
transitorios.
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Figura 2.- Primeros dispositivos para el estudio de las descargas eléctricas
A continuación de este periodo, durante la primera mitad del siglo XIX, se
realizaron los primeros estudios serios sobre descargas gaseosas, que se
llevaron a cabo alrededor del laboratorio londinense Cavendish, donde
estudiaron y trabajaron muchos de los científicos que a la postre, más
aportarían a las teorías disruptivas en gases.
Figura 3.- Instrumental eléctrico del Laboratorio Cavendish en Cambridge
En la mayoría de los textos y documentos que tratan sobre el origen de las
descargas eléctricas disruptivas en gases (denominadas de forma genérica,
arcos eléctricos), éste se atribuye a Humphry Davy (1778 - 1829) en 1808, que
trabajó con descargas eléctricas a bajo voltaje, que mantenía gracias a baterías
o botellas de Leyden. Sin embargo, aunque estos estudios de Davy, fueron el
caldo de cultivo de los desarrollos posteriores, durante este periodo no se
avanzó mucho en el conocimiento de los mecanismos fundamentales de las
descargas disruptivas.
Un ayudante de Davy y uno de los científicos ingleses más extraordinarios de
la historia de la ciencia, Michael Faraday (1791 - 1867), en 1833 descubrió, un
fenómeno, que posteriormente aportaría gran luz sobre las descargas
eléctricas: la electrólisis. Las leyes de la electrolisis fueron rápidamente
aplicadas a todos los ámbitos de investigación de la época. De hecho, fue tal la
rapidez y la importancia en la aplicación de esta teoría, que en aquellos
tiempos aún se diferenciaba entre la conducción electrolítica y la conducción
metálica. En 1893, el físico inglés, Joseph John Thomson (1856 - 1940),
relacionó los fenómenos de electrolisis con las descargas eléctricas, y debido al
apoyo en esta teoría electrolítica, aún hoy se sigue heredando su
nomenclatura, al hablar de cátodo y ánodo.
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Figura 4.- Humphry Davy (1778 - 1829) y Michael Faraday (1791 - 1867)
En este periodo, cobra especial importancia un investigador alemán, Friederich
Paschen (1865 - 1947), que formuló en 1889, la ley que lleva su nombre y que
aunque, se ha descubierto alguna incongruencia en sus predicciones para
pequeñas dimensiones, relaciona de forma extraordinaria la tensión disruptiva
de un gas, con la presión de éste y la distancia entre los electrodos a diferente
potencial.
De la mano de los descubrimientos de los rayos X, J.J. Thomson y uno de sus
estudiantes en Cavendish, el físico y químico neocelandés Ernest Rutherford
(1871 - 1937), midieron la conductividad de un gas sometido a una radiación X,
y por sorpresa, observaron que el gas no seguía la ley de Ohm, sino que la
corriente alcanzaba un valor de saturación. Concluyeron que la energía de la
radiación X, generaba partículas cargadas positivamente y negativamente, que
tendían a recombinarse y que el fenómeno, una vez más, era análogo al que
tenía lugar en una disolución electrolítica. También comenzaron a relacionar las
características tensión – corriente, con la velocidad de las partículas cargadas.
Pero los resultados clave en este importante aspecto de la teoría de las
descargas eléctricas, vinieron de la mano de otro estudiante de Thomson en
Cavendish, John Sealey Townsend (1868 - 1957), que en 1900, encontró
relaciones cruciales entre la corriente eléctrica que se producen en las
descargas y las partículas fundamentales presentes en las mismas.
Figura 5.- Friederich Paschen (1865 - 1947) y John Sealy Townsend (1868 - 1957)
Tras este periodo, los estudiantes de Thomson abandonaron el Laboratorio
Cavendish. Rutherford, se centró en la radiactividad, mientras que Townsend
fundó en Oxford, el laboratorio más importante de la “electricidad en gases”, y
junto a sus estudiantes, reunió una impresionante cantidad de información,
sobre coeficientes (muchos de los cuales hacen aún hoy referencia a
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Townsend) y parámetros que caracterizan el paso de la electricidad a través de
los gases.
A partir de 1920, el progreso de los fenómenos de descarga se ralentizó,
debido en gran medida, a las limitaciones tecnológicas (pureza de los gases y
materiales de electrodos).
Como último hito histórico clave, se debe citar el periodo alrededor de 1940, en
el que Frans Michael Penning (1894 - 1953) y Mari Johan Druyvesteyn (1901 1995), en los Laboratorios Philips de Eindhoven, realizaron los primeros
trabajos con gases de gran pureza, a partir de los cuales fue posible un
auténtico acuerdo entre teoría y experimentos.
Figura 6.- Frans Michael Penning (1894 - 1953) y Mari Johan Druyvesteyn (1901 - 1995)
En cuanto a la terminología empleada en el ámbito de las descargas eléctricas
en gases, el campo que estudia estos fenómenos, pasó de denominarse
“descargas eléctricas en gases”, a “electrónica gaseosa” debido a la
importancia que se le concedió a la electrónica después de la Segunda Guerra
Mundial. Por último, pasó a denominarse “física del plasma”, término acuñado
por el físico-químico estadounidense Irving Langmuir (1881 - 1957), a partir del
término griego πλασµα, que significa “moldear”.
En el ámbito de la seguridad laboral, en concreto, en el ámbito de los riesgos
asociados a los fenómenos de arco eléctrico, la publicación en 1982 del estudio
del ingeniero estadounidense Ralph H. Lee (1911 - 1987), se convirtió en un
hito fundamental, ya que éste introdujo un modelo para poder estimar los
riesgos térmicos asociados a los fenómenos de arco eléctrico (ver anexo III),
que podían producirse durante los trabajos sobre o en las proximidades de
instalaciones eléctricas.
Actualmente, a nivel internacional en materia de seguridad laboral eléctrica, se
puede hablar de dos enfoques:
-
Enfoque “americano”, que engloba EEUU, Canadá y México, basado en
la norma técnica NFPA 70E (Seguridad eléctrica en los lugares de
trabajo) y que recoge en su anexo D, recomendaciones para la
realización de trabajos eléctricos seguros, frente a los riesgos térmicos
asociados a un arco eléctrico.
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-
Enfoque “europeo”, basado en la norma técnica EN 50110-1
(Explotación de instalaciones eléctricas), en la que actualmente se
trabaja para introducir un anexo B, que aborde los riesgos asociados al
arco eléctrico.
2.2. Aplicaciones de las descargas eléctricas en gases
Las descargas eléctricas crean y mantienen plasmas. En muchos casos, se ha
aprendido a aprovechar las características y propiedades únicas de estos
plasmas, aunque también junto a éstos, se producen fenómenos no deseados.
De hecho, como se verá más adelante, al ser un fenómeno caótico complejo,
cuya dinámica se formula bajo leyes magnetohidrodinámicas, muy
influenciadas por los procesos y fenómenos microscópicos (procesos de
ionización), es muy importante profundizar en su conocimiento físico a nivel
microscópico, pero al mismo tiempo, es importante, seguir desarrollando
modelos “macroscópicos” de los mismos.
Dos características de los plasmas creados durante las descargas, son las que
los hacen especialmente útiles y a la vez dañinos, en las aplicaciones
industriales actuales:
-
Consiguen temperaturas y densidades de energía superiores a las que
puedan conseguirse con cualquier otro medio químico o físico.
-
Produce y engloba especies energéticas de amplio espectro (fotones de
diferente longitud de onda, partículas cargadas, estados atómicos
excitados,…)
Entre las actividades científicas y técnicas, en las que las descargas eléctricas
juegan un papel importante, caben destacar la industria de las fuentes de
iluminación (fluorescentes, neones, etc…), la biomedicina, la fabricación de
chips o la navegación espacial. Aunque todas estas actividades, tienen que
enfrentarse con los efectos negativos asociados a las descargas, su
minimización es crucial en sectores como:
-
Sector Eléctrico.
-
Sector Petroquímico y sectores donde se forman o almacenan
atmósferas explosivas.
Figura 7.- Sectores de aplicación: fabricación de chips, eléctrico y aeroespacial
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