Estudio Del Campo Magnetico No Homogeneo

ESTUDIO DEL CAMPO ELECTRICO NO HOMOGENEO Luis Ardila, Diego Calderón, José Lozano

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PRACTICA 6: ESTUDIO DEL CAMPO MAGNETICO NO HOMOGENEO

Luis E. Ardila Diego M. Calderón José F. Lozano

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ACTIVIDADES PARA ANTES DE INICIAR LA PRACTICA

1. Defina los siguientes términos: electrón, efluvios, ionización y rigidez dieléctrica.

Electrón:

Es una partícula subatómica que tiene una carga negativa y que se encuentra alrededor del

núcleo atómico, su movimiento genera corriente eléctrica y definen las interacciones

atómicas.

Efluvios:

Es un tipo de descarga corona que se da en forma lumínica, se puede observar en

generadores electrostáticos o en la superficie de los conductores que se encuentran

rodeados por un medio conductor, por ejemplo las líneas de transmisión cercanas al nivel

del mar.

Ionización:

Es el proceso por el cual se generan iones, que son átomos o moléculas que dejan de tener

carga neutra y toman exceso de carga positiva o negativa. Esto fenómeno puede suceder

de diferentes formas puede ser químico cuando por medio de reacciones se presenta la

transferencias de electrones entre partículas o también físico cuando diferentes procesos

arrancan electrones de estas, generando iones positivos.

Rigidez Dieléctrica:

Es la capacidad que presenta un material de soportar un determinado nivel de tensión sin

presentar disrupción.

2. ¿Qué diferencias existen entre los siguientes fenómenos: descargas parciales,

disrupción, arco eléctrico y flameo?

Las descargas parciales se presentan antes de formarse el arco eléctrico y no son muy

duraderas, el arco eléctrico se presenta cuando la descarga logra estabilizarse y cuando es

muy intensa se presenta el flameo, si este fenómeno sucede sobre un material dieléctrico

tenemos el fenómeno de disrupción.

3. ¿Qué es y cómo se origina el efecto corona?


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Se conoce como efecto corona al fenómeno que se presenta cuando existen descargas

parciales en la superficie de un material, este se presenta más fácilmente en bordes por la

a comulación de campo eléctrico.

Se origina por la ionización del aire cercano al conductor debida a la alta tensión de este. Al

estar ionizadas pueden conducir corriente eléctrica fácilmente y parte de los electrones que

están en la línea pueden circular por el aire.

4. ¿De qué maneras se manifiesta el efecto corona? Explique brevemente.

Se presentan descargas parciales sobre el material, la circulación de corriente sobre el aire

conlleva a una coloración característica debido a una elevación en la temperatura del gas,

este fenómeno también viene acompañado de un sonido característico.

5. ¿Qué diferencias existen entre una descarga corona negativa y una positiva?

La principal diferencia es que en el caso de punta negativa de genera más de una

avalancha al mismo tiempo y se hayan una cerca de la otra, esto hace que la avalancha

primaria aumente su longitud, es como si se aumentara el electrodo. En el caso de punta

positiva una gran cantidad de iones negativos se acumulan alrededor del ánodo y se

genera un campo eléctrico casi homogéneo entre los iones y en ánodo.

El principal efecto ante la aplicación de un potencial positivo al electrodo punta, es un

aumento significativo del voltaje disruptivo con respecto a que si se aplicara un potencial

negativo debido a que es más difícil que tenga lugar ionización alguna y de esta manera

también la corriente de conducción.

6. Explique brevemente el proceso en el cual al aparecer descargas corona se

genera ozono.

La energía generada en las descargas separa los átomos de la molécula de oxigeno y

estos átomos individúales se pueden re combinar fácilmente con las moléculas que no se

separaron del oxigeno, formando así el ozono.

7. ¿Cómo se ve afectado el proceso de formación del efecto corona si se modifican

las condiciones ambientales como presión, humedad, densidad del aire y

presencia de agua?

Se modifica el tiempo y la tensión disruptiva, puesto que si la presión es mayor la descarga

se da en menor tiempo o si la humedad es alta también.


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8. ¿Qué es un streamer y qué relación tiene con los pulsos trichel?

Una descarga streamer se da cuando no es necesaria la recombinación de los electrones

sino solamente depende de la avalancha en sí, puesto que esta ya tiene una gran cantidad

de electrones.

Los streamer se comportan aleatoriamente, a diferencia de los pulsos trichel que son el

resultado de procesos de ionización cíclicos.

ACTIVIDADES Y DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

I. Explique el funcionamiento y configuración de cada uno de los métodos de

medición empleados, muestre el valor de sus componentes y la relación de

transformación de cada uno.

Para llevar a cabo esta práctica satisfactoriamente es necesario contar con sistemas de

medida los cuales nos permitan transformar las altas tensiones en voltajes reducidos los

cuales se puedan medir mediante equipo convencional, este trabajo lo realizan los

divisores de tensión, en este caso utilizaremos dos tipos de estos divisores.

En primera medida tenemos un divisor capacitivo puro, el cual consiste en una

capacitancia de alta de 100 pF, con un ramal de baja de 200 nF, este divisor nos servirá

para medir la tensión a la salida del transformador, y así mediante la relación de

transformación tener un estimado si la tensión esta correcta entre el primario y

secundario del transformador.

Tenemos un segundo equipo de medida, el cual consiste en un divisor resistivo

compensado, el cual cuenta con una rama de alta de 52 pF conectados en paralelo con

243,6 MΩ y un ramal de baja, de un condensador de 50 nF conectado en paralelo con

una resistencia de 240 kΩ.

La configuración y valores de los dos equipos de medida a utilizar durante la práctica se

encuentran resumidos en la figura 9, la relación de transformación de cada uno de estos

divisores es de 1862 para el capacitivo puro y de 928 para el resistivo compensado.


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Figura 1. Sistemas de medida, a) divisor capacitivo puro (1862) y b) divisor resistivo compensado (928).

II. Monte un circuito de generación de alta tensión DC positiva y conecte un

electrodo separado a una distancia considerable de la referencia (tierra) de tal

manera que se asegure que por ningún motivo se generara disrupción en el aire.

Aumente la tensión desde cero hasta 50KV, observe y analice los fenómenos que

se presentan durante la prueba. Distinga y explique si aparecieron fenómenos

tales como descargas parciales, efluvios, ionización y efecto corona.

Como primera medida, y con el fin de tener un estimado del rango de tensiones en las

que se presentará el efecto corona para la configuración punta-placa positiva, se monta

el circuito mostrado en la siguiente figura, en el cual se ajusta la distancia inter-

electródica y de esta manera determinar a qué tensión aproximada se presentaran los

distintos fenómenos durante la práctica.

Figura 2. Montaje generación DC positivo, con electrodos punta-placa.


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Para la anterior configuración se tomaron medidas a distintas distancias de los

electrodos y se observó la tensión en la que se empezaba a presentar efecto corona,

estos valores se encuentran en la siguiente tabla.

Distancia (cm) Tensión (kV)

2 15,52

3 27,77

4 29,84

5 21,53

Tabla 1. Tensiones donde comienza efecto corona.

Una foto del montaje realizado se puede observar en la siguiente figura.

Figura 3. Montaje realizado en el laboratorio, se observan los electrodos punta-placa.

Después de tener un estimado de la tensión esperada, se procedió a realizar la prueba

para esta configuración de electrodos. Durante la realización de la práctica, se aplico

tensión con una tasa de crecimiento constante, y se registraron los valores en los cuales

se presentaron distintos fenómenos, tales como descargas parciales, efluvios,

ionización y efecto corona, las tensiones registradas se encuentran en la siguiente

sección.


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III. Registre los valores de tensión en los cuales se observaron y/o percibieron estos

fenómenos.

Punta positiva Distancia: 2 cm

Tensión (kV) Fenómeno

14,35 Disrupción

14,57 Disrupción

Tabla 2. Tensiones de los fenómenos observados en punta positiva 2 cm.



18,49 Efluvio

18,88 Corona

20,19 Fin de prueba


Cuando se tenía una separación de 4 cm se pudo observar claramente los efluvios

provenientes de la punta positiva descendiendo hacia la placa, la prueba se terminó

para prevenir una disrupción en estas condiciones, el color de los efluvios y el efecto

corona tenían un matiz azuloso.



19,83 Descargas Parciales

20,21 Efluvio

20,39 Corona

22,32 Fin de prueba


IV. Repita el montaje cambiando la forma del electrodo al menos tres veces, observe

y describa los fenómenos tales como descargas parciales, efluvios, ionización y

efecto corona. Si es posible tome fotografías evidenciando el fenómeno.

La forma de los electrodos se cambió tres veces como se indica en el enunciado,

teniendo finalmente una configuración punta-punta, esfera-esfera y un cable flotante.

En el montaje realizado con un electrodo punta-punta fue mucho más fácil observar los

fenómenos de efluvios, ionización del gas y las descargas parciales, se tomaron

fotografías de estos fenómenos, y los datos se encuentran a continuación.


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Distancia: 2 cm


21,42 Disrupción

Tabla 5. Tensiones de los fenómenos observados en punta-punta 2 cm.

Distancia: 3,5 cm


24,27 Disrupción

Tabla 6. Tensiones de los fenómenos observados en punta-punta 3,5 cm.

Distancia: 5 cm


26,68 Pre-descargas

29,23 Efluvio

30,07 Corona

31,64 Disrupción


En una configuración de punta-punta en 5 cm tenemos que en la parte inferior se

presenta una mayor luminosidad del electrodo.

Distancia: 6 cm


28,23 Pre-descargas

31,61 Corona

36,38 Trichel

38,05 Disrupción


En la siguiente figura se puede observar el fenómeno de efluvios en cuales

acompañado de un sonido de vibración bajo, se puede ver como el gas ionizado al

elevar su temperatura presenta un tono azuloso, lo que indica una elevada temperatura.


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Figura 4. Punta-punta

Figura 5. Arco eléctrico

Cuando se elevo el voltaje se presenta el fenómeno de descargas eléctricas, el cual

emite una cantidad considerable de luz, es un fenómeno difícil de documentar por que


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la duración es muy corta. Este fenómeno viene acompañado de un gran impacto sonoro

debido a la gran cantidad de energía disipada.

Figura 6. Efluvios

En la anterior imagen se observan gas ionizado a mayor temperatura debido a su que

su color es mas blanco que en la figura 2 en este caso se podían observar a simple

vista algunas descargas parciales muy pequeñas, pero debido a la sensibilidad de la

cámara no se pueden observar. Las descargas parciales emitían un ruido de no muy

elevada amplitud, sonaba como un zumbido.

La segunda configuración consistió en un arreglo esfera-esfera, donde el campo

eléctrico tiene una configuración homogénea, y por lo general no se producirá efecto

corona previo a la disrupción, sin presentarse fenómenos previos visibles como los

observados en una configuración no homogénea. Los valores y fenómenos observados

durante la prueba con estos electrodos se encuentran a continuación.


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Distancia: 2 cm


32,88 Disrupción

Tabla 9. Tensiones de los fenómenos observados en esfera-esfera 2 cm.

Distancia: 4 cm


41,02 Pre-descargas

46,40 Fin

Tabla 10. Tensiones de los fenómenos observados en esfera-esfera 4 cm.

La prueba se suspende en 46 kV para evitar una disrupción, y debido a que el rango de

tensiones de interés ya fue superado sin la presencia de fenómenos observables como

en configuraciones no homogéneas previas.

La ultima configuración implementada fue conectar un conductor y se observo efecto

corona en sus extremos

Figura 7. Conductor

El efecto corona se visualiza claramente en los extremos del conductor, puesto que la

configuración en punta genera elevadas concentraciones de campo eléctrico y la

ionización del aire circundante es más fácil.


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Cable


12,34 Pre-descargas

15,02 Corona

20,88 Figura 5

Tabla 11. Tensiones de los fenómenos observados en el cable positivo.

La siguiente parte de la práctica consistió en cubrir el conductor con una botella plástica

y acercarle la pértiga en la siguiente imagen se ve una foto del montaje en el momento

de acercar la pértiga.

Figura 8. Conductor cubierto

Este montaje permitió observar los efluvios más fácilmente al crear un gran campo por

la cercanía de los electrodos, pero al mismo tiempo prevenir la disrupción al tener la

botella en medio de los electrodos. Además, al ubicar este elemento se crea una

superficie cuasi-equipotencial (debido a los elevados campos aplicados) sobre la cual

las descargas parciales pueden tener más caminos.

En la figura 6 se tiene una tensión de 23,2 kV y el fenómeno de descargas parciales se

vio a los 7,14 kV.

La última parte del laboratorio pretendía contornear un aislador, el cual se ubicaba entre

el cable conductor y la pértiga.


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Figura 9. Aislador

Se pueden observar las descargas parciales que tratan de delinear el aislador, esto no

es fácil de realizar debido a que la el manejo de la pértiga debe ser en extremo preciso

para mantener la distancia de separación de los electrodos, además se presenta el

inconveniente que si se acerca demasiado al conductor se lleva la corriente del

transformador debido a un arco eléctrico y si se deja mucho tiempo puede causar daños

en el transformador, la tensión de contorneo fue de 28,8 kV.

Figura 10. Aislador 2

Al elevar el voltaje las descargas parciales se presentan en mayor cantidad, pero se

debe tener más cuidado con el transformador.


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V. Repita las experiencias de los numerales II y III, pero conectando los electrodos

alta tensión DC negativa.

Figura 11. Montaje generación DC positivo, con electrodos punta-placa.

Distancia: 2 cm


-14,34 Pre-descargas

-14,51 Corona

Tabla 12. Tensiones de los fenómenos observados en punta negativa 2 cm.

Distancia: 5 cm



-18,89 Corona

-20,68 Inicio Sonido

-27,47 Fin Sonido

-32,51 Efluvio

Tabla 13. Tensiones de los fenómenos observados en punta negativa 4 cm.

Distancia: 5 cm



-20,53 Corona

-21,11 Efluvio

Tabla 14 Tensiones de los fenómenos observados en punta negativa 5 cm.

Para la configuración de electrodo flotante, también se aplico tensión negativa, los

valores se encuentran en la siguiente tabla.


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Distancia: 5 cm



-22,18 Corona

Tabla 15. Tensiones de los fenómenos observados en cable negativo.

VI. ¿Qué conclusiones y diferencias se pueden se pueden rescatar entre efecto

corona negativo y positivo?

Cuando se presenta diferencia entre los electrodos (punta-placa por ejemplo) existe

diferencia entre los voltajes de generación de efecto corona respecto a la polaridad,

debido a que la acumulación de iones y su carga, en el electrodo más

pequeño (punta) inciden en las avalanchas de electrones y también en la forma del

campo eléctrico en las regiones cercanas a los electrodos.

El efecto corona para cada una de las polaridades tiene tonalidades distintas, para el

corona positivo tenemos que tiene un color azuloso, mientras que para el corona

negativo se observo un color tipo rojo.

El efecto corona se presenta a una tensión menor cuando se tiene una polaridad

positiva, mientras que el efecto corona para una polaridad negativa se retarda más en

aparecer.

Existe una diferencia en el orden de aparecimiento de los fenómenos, para la polaridad

positiva generalmente primero aparecen las descargas parciales, luego los efluvios y

finalmente corona, mientras que para la polaridad negativa vienen las descargas

parciales, luego el encendido de corona y finalmente la presencia de efluvios.

VII. ¿Es posible observar pulsos trichel con los montajes realizados en el laboratorio?

Justifique su respuesta.

No, porque los elementos del laboratorio no se encuentran capacitados para medir

señales de tan alto componente en frecuencia, esto es, las mediciones se encuentran

limitadas por el ancho de banda de los equipos, es por esta razón que los pulsos trichel

no son claramente observables con los equipos de laboratorio disponibles.

VIII. Analice y concluya sobre los resultados obtenidos, la configuración de los

electrodos, el tipo de tensión aplicada y las condiciones ambientales que se

presentaron durante la prueba.

Se montaron diferentes configuraciones para observar el efecto corona y se puede decir

que no todas permiten observar efecto corona en el laboratorio. La configuración punta


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placa no permite observar este fenómeno, tal vez porque se necesita un mayor nivel de

obscuridad en el laboratorio.

La mejor configuración que permitió observar el fenómeno de efluvios y descargas

parciales fue punta-punta, debido a la alta acumulación de campo eléctrico. La que se

utilizo para efluvios es el espinterómetro que permite una separación constante de los

electrodos y se puede regular el voltaje entre ellos con la consola. La otra configuración

punta-punta que se utilizo corrió a cargo de un extremo de un conductor y la pértiga, en

este caso era muy difícil mantener la distancia de separación de los electrodos

constante, pero era más fácil manejar un voltaje constante y acercar o alejar la pértiga.

Las condiciones ambientales se mantuvieron estables durante la prueba en 84 % de

humedad y 18 °C, pero si somos estrictos diferentes condiciones de temperatura,

presión, humedad, etc. Cambiarían los voltajes de los efectos.

Lo primero que se hizo en la práctica fue generar corriente alterna, y utilizar el

espinterómetro en su configuración punta a punta. Con sus dos puntas se sujetó un

disco de acrílico, posteriormente, se empezó a subir poco a poco la tensión del

transformador, el primer efecto que se percibió fue un efecto auditivo de baja intensidad,

que manifiesta la concentración de campo eléctrico, esta concentración es mayor en

cada una de las puntas del espinterómetro.

Se siguió aumentando el nivel de tensión, y además de que el fenómeno auditivo

aumentaba su intensidad, se observó una pequeña iluminación violeta en las puntas del

espinterómetro, esta es la manifestación de la ionización en las puntas, este fenómeno

visual es conocido como el efecto corona, el efecto corona está causado por la

ionización del aire circundante al conductor debido a los altos niveles de tensión en el

conductor. En el momento que las moléculas de aire se ionizan, éstas son capaces de

conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones que circulan por el conductor

pasan a circular por el aire. Tal circulación producirá un incremento de temperatura en

el gas, que se tornará de un color rojizo para niveles bajos de temperatura, o azulado

para niveles altos. La intensidad del efecto corona, por lo tanto, se puede cuantificar

según el color del halo, que será rojizo en aquellos casos leves y azulado para los más

severos.

Al aumentar un poco más la tensión, se producen descargas parciales en el ambiente,

este fenómeno también se determina por unos “pequeños sonidos de descarga”.

Después de este fenómeno, se llega a la disrupción del aire.

Después de observar varias disrupciones y aumentar más el nivel de tensión, se llega a

la generación de un arco eléctrico entre las dos puntas de espinterómetro, este arco

eléctrico termina perforando el acetato. Finalmente se aumenta más la tensión, hasta el

punto en que la cantidad de energía produce un flameo, y termina destruyendo el

acetato. Después de la prueba se observó el acrílico y se vieron los caminos que toman


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las primeras disrupciones alrededor de la superficie del acetato y además las

perforaciones producidas por el arco eléctrico.

CONCLUSIONES

La observación del fenómeno de efecto corona en el laboratorio de alta tensión es

posible si reduce la luminosidad, la mejor configuración que permite observar efluvios y

descargas parciales es punta-punta.

Para poder analizar el fenómeno cambiando de polaridad de los electrodos sería

necesario reducir considerablemente la luz que entra al laboratorio por que en las

condiciones actuales el fenómeno se puede documentar, pero no observar.

Durante la práctica se pudo observar que para llegar a la condición de flameo en la

producción de campo eléctrico no homogéneo, se empieza por la concentración de

campo eléctrico, el cual con el aumento de tensión hace que se produzca la ionización,

se sigue con las descargas parciales, posteriormente se genera una disrupción, y

finalmente un arco eléctrico, el cual puede llegar a generar la condición de flameo si se

tiene una energía bastante grande.

El efecto corona, es un efecto visual, que dadas las condiciones de luminosidad y de

voltajes aplicados se percibe alrededor de un conductor cuando el aire que lo rodea es

ionizado y posteriormente se vuelve conductor. Este efecto visual generalmente es de

color violeta o azul.

REFERENCIAS

[1]LÍNEAS DE TRANSPORTE DE ENERGÍA, Checa Luis María, MARCOMBO, S.A. 1988

Estudio Del Campo Magnetico No Homogeneo

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