Avería eléctrica

En electrónica , la ruptura eléctrica o ruptura dieléctrica es un proceso que ocurre cuando un material eléctricamente aislante (un dieléctrico ), sometido a un voltaje suficientemente alto , de repente se convierte en un conductor y la corriente fluye a través de él. Todos los materiales aislantes sufren una ruptura cuando el campo eléctrico causado por un voltaje aplicado excede la rigidez dieléctrica del material . El voltaje al que un objeto aislante dado se vuelve conductor se llama voltaje de ruptura y, además de su rigidez dieléctrica, depende de su tamaño y forma, y ​​de la ubicación en el objeto al que se aplica el voltaje. Con un voltaje suficiente , la ruptura eléctrica puede ocurrir dentro de sólidos , líquidos o gases (y teóricamente incluso en el vacío ). Sin embargo, los mecanismos de ruptura específicos son diferentes para cada tipo de medio dieléctrico.

Una avería eléctrica puede ser un evento momentáneo (como una descarga electrostática ) o puede provocar un arco eléctrico continuo si los dispositivos de protección no logran interrumpir la corriente en un circuito eléctrico. En este caso, una avería eléctrica puede provocar una falla catastrófica del equipo eléctrico y peligros de incendio .

La corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas eléctricamente en un material causado por un campo eléctrico , generalmente creado por un voltaje a través del material. Las partículas cargadas móviles que forman una corriente eléctrica se denominan portadores de carga . En diferentes sustancias, diferentes partículas sirven como portadores de carga: en metales y algunos otros sólidos, algunos de los electrones externos de cada átomo ( electrones de conducción ) pueden moverse en el material; en electrolitos y plasma, son iones , átomos o moléculas cargados eléctricamente y electrones los que son portadores de carga. Un material que tiene una alta concentración de portadores de carga disponibles para la conducción, como un metal , conducirá una gran corriente con un campo eléctrico dado y, por lo tanto, tiene una baja resistividad eléctrica ; esto se llama conductor eléctrico . ^[1] Un material que tiene pocos portadores de carga, como el vidrio o la cerámica, conducirá muy poca corriente con un campo eléctrico dado y tiene una alta resistividad; esto se llama aislante eléctrico o dieléctrico . Toda materia está compuesta de partículas cargadas, pero la propiedad común de los aislantes es que las cargas negativas, los electrones orbitales, están fuertemente ligadas a las cargas positivas, los núcleos atómicos , y no pueden liberarse fácilmente para volverse móviles.

Sin embargo, cuando se aplica un campo eléctrico lo suficientemente grande a cualquier sustancia aislante, a una cierta intensidad de campo, el número de portadores de carga en el material aumenta repentinamente en muchos órdenes de magnitud, por lo que su resistencia cae y se convierte en un conductor. ^[1] Esto se llama ruptura eléctrica . El mecanismo físico que causa la ruptura difiere en diferentes sustancias. En un sólido, generalmente ocurre cuando el campo eléctrico se vuelve lo suficientemente fuerte como para alejar los electrones de valencia externos de sus átomos, por lo que se vuelven móviles, y el calor creado por sus colisiones con otros átomos libera electrones adicionales. En un gas, el campo eléctrico acelera el pequeño número de electrones libres presentes de forma natural (debido a procesos como la fotoionización y la desintegración radiactiva ) a una velocidad lo suficientemente alta como para que cuando chocan con las moléculas de gas eliminen electrones adicionales de ellas, llamado ionización , que continúan ionizando más moléculas creando más electrones e iones libres en una reacción en cadena llamada descarga de Townsend . Como indican estos ejemplos, en la mayoría de los materiales la ruptura se produce mediante una reacción en cadena rápida en la que las partículas cargadas móviles liberan partículas cargadas adicionales.

La intensidad del campo eléctrico (en voltios por metro) a la que se produce la ruptura es una propiedad intrínseca del material aislante denominada rigidez dieléctrica . El campo eléctrico suele estar causado por un voltaje aplicado a través del material. El voltaje aplicado necesario para provocar la ruptura en un objeto aislante determinado se denomina voltaje de ruptura del objeto . El campo eléctrico creado en un objeto aislante determinado por un voltaje aplicado varía según el tamaño y la forma del objeto y la ubicación en el objeto de los contactos eléctricos donde se aplica el voltaje, por lo que, además de la rigidez dieléctrica del material, el voltaje de ruptura depende de estos factores.

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

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

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

La ruptura es un proceso local y, en un medio aislante sometido a una diferencia de voltaje alta, comienza en cualquier punto del aislante en el que el campo eléctrico exceda por primera vez la rigidez dieléctrica local del material. Dado que el campo eléctrico en la superficie de un conductor es más alto en las partes salientes, las puntas y los bordes afilados, en el caso de un conductor inmerso en un aislante homogéneo como el aire o el aceite, la ruptura suele comenzar en estos puntos. En un aislante sólido, la ruptura suele comenzar en un defecto local, como una grieta o una burbuja en un aislante cerámico. Si el voltaje es lo suficientemente bajo, la ruptura puede quedar limitada a esta pequeña región; esto se denomina descarga parcial . En un gas adyacente a un conductor puntiagudo, los procesos de ruptura local, la descarga de corona o la descarga en escobilla , pueden permitir que la corriente se escape del conductor al gas en forma de iones. Sin embargo, normalmente 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 completa se aplica a la longitud restante del aislante. Como la caída de tensión se produce ahora en una longitud más corta, se crea un campo eléctrico más alto en el material restante, lo que hace que se descomponga más material. Por lo tanto, la región de ruptura se extiende rápidamente (en cuestión de nanosegundos) en la dirección del gradiente de tensión (campo eléctrico) desde un extremo del aislante al otro, hasta que se crea una ruta conductora continua a través del material entre los dos contactos que aplican la diferencia de tensión, lo que permite que fluya una corriente entre ellos, lo que inicia un arco eléctrico .

También puede producirse una avería eléctrica sin que se aplique tensión, debido a una onda electromagnética. Cuando una onda electromagnética suficientemente intensa pasa a través de un medio material, el campo eléctrico de la onda puede ser lo suficientemente fuerte como para provocar una avería eléctrica temporal. Por ejemplo, un rayo láser enfocado en un pequeño punto del aire puede provocar una avería eléctrica y la ionización del aire en el punto focal.

En los circuitos eléctricos prácticos , la avería eléctrica suele ser un suceso no deseado, una falla del material aislante que causa un cortocircuito , posiblemente dando como resultado una falla catastrófica del equipo. En los circuitos de potencia, la caída repentina de la resistencia hace que fluya una corriente alta a través del material, iniciando un arco eléctrico , y si los dispositivos de seguridad no interrumpen la corriente rápidamente, el calentamiento Joule extremo repentino puede hacer que el material aislante u otras partes del circuito se derritan o vaporicen explosivamente, dañando el equipo y creando un peligro de incendio. Sin embargo, los dispositivos de protección externos en el circuito, como los disyuntores y los limitadores de corriente , pueden evitar la corriente alta; y el proceso de avería en sí 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 elimina con la suficiente rapidez, no se produce daño al material, y la reducción del voltaje aplicado provoca una transición de regreso al estado aislante del material.

Los rayos y las chispas producidas por la electricidad estática son ejemplos naturales de la descomposición eléctrica del aire. La descomposición eléctrica forma parte del modo de funcionamiento normal de varios componentes eléctricos , como las lámparas de descarga de gas , como las luces fluorescentes y las luces de neón , los diodos Zener , los diodos de avalancha , los diodos IMPATT , los rectificadores de vapor de mercurio , los tubos tiratrón , ignitrón y krytrón , y las bujías .

Las averías eléctricas suelen estar asociadas a la falla de los materiales aislantes sólidos o líquidos que se utilizan en el interior de los transformadores o condensadores de alta tensión de la red de distribución eléctrica , lo que suele provocar un cortocircuito o la fusión de un fusible. Las averías eléctricas también pueden producirse en los aisladores que suspenden las líneas eléctricas aéreas , en los cables eléctricos subterráneos o en las líneas que forman arcos eléctricos en las ramas de los árboles cercanos.

La ruptura dieléctrica también es importante en el diseño de circuitos integrados y otros dispositivos electrónicos de estado sólido. Las capas aislantes de estos dispositivos están diseñadas para soportar voltajes de funcionamiento normales, pero un voltaje más alto, como el de la electricidad estática, puede destruir estas capas y dejar un dispositivo inservible. La rigidez dieléctrica de los condensadores limita la cantidad de energía que se puede almacenar y el voltaje de funcionamiento seguro del dispositivo. ^[2]

Los mecanismos de descomposición difieren en sólidos, líquidos y gases. La descomposición está influenciada por el material del electrodo, la curvatura pronunciada del material conductor (que da como resultado campos eléctricos intensificados localmente), el tamaño del espacio entre los electrodos y la densidad del material en el espacio.

En los materiales sólidos (como los cables de alimentación ), una descarga parcial prolongada causada por un defecto, como una grieta o una burbuja, en el material suele preceder a la rotura. La descarga parcial es una ionización y un calentamiento local de la zona, que degrada los aislantes y los metales más cercanos al defecto. Finalmente, la descarga parcial carboniza un canal de material carbonizado que conduce la corriente a través del espacio.

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

En los gases licuados utilizados como refrigerantes para la superconductividad (como el helio a 4,2 K o el nitrógeno a 77 K) las burbujas pueden inducir su ruptura.

En los transformadores refrigerados y aislados con aceite, la intensidad de campo de ruptura es de aproximadamente 20 kV/mm (en comparación con los 3 kV/mm para el aire seco). A pesar de que se utilizan aceites purificados, se culpa a los contaminantes de partículas pequeñas.

La ruptura eléctrica se produce dentro de un gas cuando se excede la rigidez dieléctrica del gas. Las regiones con gradientes de voltaje intensos pueden hacer que el gas cercano se ionice parcialmente y comience a conducir. Esto se hace deliberadamente en descargas de baja presión, como las de las luces fluorescentes . El voltaje que conduce a la ruptura eléctrica de un gas se aproxima mediante la Ley de Paschen .

La descarga parcial en el aire provoca el olor a "aire fresco" del ozono durante las tormentas eléctricas o alrededor de equipos de alto voltaje. Aunque el aire normalmente es un excelente aislante, cuando se somete a una tensión suficientemente alta (un campo eléctrico de aproximadamente 3 x 10 ⁶  V/m o 3 kV/mm ^[3] ), el aire puede comenzar a descomponerse y volverse parcialmente conductor. A través de espacios relativamente pequeños, la tensión de ruptura en el aire es una función de la longitud del espacio multiplicada por la presión. Si la tensión es suficientemente alta, la ruptura eléctrica completa del aire culminará en una chispa eléctrica o un arco eléctrico que unirá 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 explosión. El relámpago es un ejemplo de una chispa inmensa que puede tener muchos kilómetros de longitud y el trueno que produce puede oírse a una 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 grados  C ). El color de un arco depende principalmente de los gases conductores, algunos de los cuales pueden haber sido sólidos antes de ser vaporizados y mezclados con el plasma caliente en el 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 percibe más fácilmente debido a su olor distintivo. ^[4]

Aunque las chispas y los arcos eléctricos suelen ser indeseables, pueden ser útiles en aplicaciones como las bujías para motores de gasolina, la soldadura eléctrica de metales o la fundición de metales en un horno de arco eléctrico . Antes de la descarga de gas, el gas brilla con distintos colores que dependen de los niveles de energía de los átomos. No todos los mecanismos se comprenden por completo.

Se espera que el propio vacío sufra una avería eléctrica en el límite de Schwinger o cerca de él .

Antes de la descomposición del gas, existe una relación no lineal entre el voltaje y la 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 saturarán después de un cierto voltaje y darán una corriente constante, región 2. Las regiones 3 y 4 son causadas por avalancha de iones, como se explica por 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 ( ) para espacios de campo uniformes como una función de la longitud del espacio ( ) y la presión del espacio ( ). ^[5]${\displaystyle V_{\text{b}}}$${\estilo de visualización d}$${\estilo de visualización p}$

${\displaystyle V_{\text{b}}={Bpd \sobre \ln \izquierda({Apd \sobre \ln \izquierda(1+{1 \sobre \gamma }\derecha)}\derecha)}}$

Paschen también derivó una relación entre el valor mínimo del espacio de presión para el cual se produce la ruptura con un voltaje mínimo. ^[5]

${\displaystyle {\begin{aligned}(pd)_{\min }&={2,718 \sobre A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\\V_{{\text{b}},\min }&=2,718{B \sobre A}\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma }}\right)\end{aligned}}}$

${\estilo de visualización A}$y son constantes dependiendo del gas utilizado.${\estilo de visualización B}$

La ruptura parcial del aire se produce como una descarga de corona en los conductores de alta tensión en los puntos con mayor tensión eléctrica. Los conductores que tienen puntas afiladas o bolas con radios pequeños son propensos a provocar una ruptura dieléctrica, porque la intensidad del campo alrededor de las puntas es mayor que la que se produce alrededor de una superficie plana. Los aparatos de alta tensión están diseñados con curvas redondeadas y anillos de graduación para evitar campos concentrados que precipiten la ruptura.

La corona a veces se ve como un brillo azulado alrededor de cables de alta tensión y se escucha como un sonido chisporroteante a lo largo de líneas eléctricas de alta tensión. La corona también genera ruido de radiofrecuencia que también se puede escuchar como 'estática' o zumbido en receptores de radio. La corona también puede ocurrir naturalmente como " fuego de San Telmo " en puntos altos como torres de iglesias, 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 de tratamiento de agua potable típica, el gas ozono se disuelve en el agua filtrada para matar bacterias y destruir virus . El ozono también elimina los malos olores y el mal sabor del agua. La principal ventaja del ozono es que cualquier sobredosis residual se descompone en oxígeno gaseoso mucho antes de que el agua llegue al consumidor. Esto contrasta con el gas cloro o las sales de cloro, que permanecen en el agua durante más tiempo y pueden ser percibidas por el consumidor.

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

Los pararrayos utilizan una 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 de la superficie de muchos polímeros . Un ejemplo es el tratamiento de corona de materiales plásticos que permite que la pintura o la tinta se adhieran correctamente.

Un dispositivo disruptivo ^{[ cita requerida ]} está diseñado para sobrecargar eléctricamente un dieléctrico más allá de su rigidez dieléctrica con el fin de provocar intencionalmente una ruptura eléctrica del dispositivo. La interrupción provoca una transición repentina de una parte del dieléctrico, de un estado aislante a un estado altamente conductor . Esta transición se caracteriza por la formación de una chispa eléctrica o canal de plasma , posiblemente seguido de un arco eléctrico a través de parte del material dieléctrico.

Si el dieléctrico es un sólido, los cambios físicos y químicos permanentes a lo largo del camino de la descarga reducirán significativamente la resistencia dieléctrica del material y el dispositivo solo se podrá utilizar una vez. Sin embargo, si el material dieléctrico es un líquido o un gas, el dieléctrico puede recuperar completamente sus propiedades aislantes una vez que se haya interrumpido externamente la corriente a través del canal de plasma.

Los bujías comerciales utilizan esta propiedad para conmutar abruptamente altos voltajes en sistemas de energía pulsada , para brindar protección contra sobretensiones a sistemas de telecomunicaciones y energía eléctrica , y para encender combustible a través de bujías en motores de combustión interna . Los transmisores de bujías se utilizaron en los primeros sistemas de radiotelegrafía.

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