Considerando la parte positiva y visible de la llama como un sistema, existe una corriente de partículas de bajo momento, resultantes del proceso de combustión, que inician su recorrido en la parte inferior de la llama, y una corriente de salida de partículas enfriadas de alto momento que salen de la parte superior de la misma.
En este sistema, sobre cada partícula actúan tres fuerzas externas:
1) fuerza de flotación fb
2) fuerza eléctrica FE
3) fuerza de resistencia del aire T, (en caso de turbulencia).
Sin embargo, dado que el sistema no está aislado, se le aplicaría otra fuerza debido a la diferencia de momento entre las partículas de entrada y salida. Esta fuerza actúa en la dirección de la llama, hacia la parte inferior (Figura 1).
En caso de desviación constante, estas tres fuerzas deben estar en equilibrio. En presencia del campo eléctrico, dado que la mayor parte de la llama está compuesta por iones positivos, la mayor parte será atraída hacia la placa negativa.
Mientras tanto, dado que una pequeña parte de la llama está compuesta por iones negativos, una porción muy pequeña será atraída hacia la placa positiva (Figura 2).
En el caso de las llamas de plasma, la distribución de las cargas eléctricas genera un campo eléctrico interno significativo que anula el campo eléctrico externo. Este fenómeno se conoce como efecto colectivo [1]. Por lo tanto, en este caso, la llama de plasma no se desvía en absoluto.
Oscilación de la llama
Debido a su ionización, la llama es conductora a altos voltajes. Por lo tanto, si la llama toca eléctricamente las placas, se producirá una descarga eléctrica y la llama ganará electrones de la placa negativa, perdiendo la carga positiva. Esto reduce la fuerza eléctrica, forzando a la llama a regresar a su posición inicial. Sin embargo, debido a la advección y a las continuas reacciones de combustión, volverá a cargarse positivamente. Por lo tanto, todo el proceso se repetirá, provocando un movimiento oscilatorio en la llama.
[1] Gerald Rogoff, Paul Rivenberg; "Plasma and Flames - The Burning Question", Coalition for Plasma Science 2008
Para que una chispa atraviese en el aire una distancia de un centímetro se necesitan unos 10.000 voltios aproximadamente, tal como nos muestra el siguiente video.
La llama se puede llegar a apagar aumentando á intensidad del campo eléctrico, (acercando la llama a las cargas eléctricas) tal como se puede ver en el siguiente video.
Los imanes potentes también desvían las llamas.
En este estudio el comportamiento dinámico de una llama se examina experimentalmente mediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos paralelos y la colocación de una llama de etanol entre ellos. Dado que una llama se comporta como un plasma débilmente ionizado, su forma se ve afectada por un campo eléctrico externo intenso. Cuando se aplica horizontalmente un campo eléctrico CA intenso (transversal), a medida que aumenta el voltaje CA aplicado, la forma de la llama se aplana y el ancho de la llama interna se expande y se satura a un valor específico. Cuando se aplica verticalmente un campo eléctrico CA intenso (axial), la frecuencia de la oscilación autoexcitada se ve afectada por un valor específico de la frecuencia aplicada. Cuando cambia la frecuencia del voltaje CA aplicado, la temperatura y la emisión de luz de la llama se ven significativamente afectadas por dicho voltaje. Además, al aumentar aún más la intensidad del campo eléctrico horizontal, se produce una descarga en la llama, transformándola en un plasma de arco. Las señales de corriente presentan valles de fondo y picos repentinos en forma de puntas. La curva espectrofotométrica incluye los espectros de las llamas y del plasma del arco bajo la descarga del arco.
Introducción
Los seres humanos han utilizado las llamas como fuentes de luz y calor desde el principio de los tiempos, y estas desempeñan un papel importante en el desarrollo de la civilización. A principios de la era moderna, el famoso libro The Chemical History of a Candle de Michael Faraday expuso las características científicas esenciales de las llamas, y sigue leyéndose en todo el mundo.
Además, comprender las llamas también es importante desde una perspectiva cultural, ya que están estrechamente asociadas con nuestra vida diaria y son esenciales para ella. Se considera que la llama corresponde a la primera forma de plasma utilizada por los seres humanos, ya que una llama ardiente es un ejemplo de plasma débilmente ionizado.
Los seres humanos han utilizado el plasma en su vida diaria durante mucho tiempo, y históricamente se han realizado estudios sobre las llamas desde el punto de vista del plasma. Una llama ardiente exhibe las características del plasma débilmente ionizado porque está ligeramente ionizada. El valor típico de la densidad del plasma en la llama es de alrededor de 108 por 1 cm2.
Por lo tanto, la forma de la llama se ve afectada por fuertes campos eléctricos y magnéticos. El plasma se produce en un entorno diversificado como gas y también en estados líquido, sólido y supercrítico. Los experimentos a lo largo del estudio consideran las propiedades de la combustión de la llama del etanol como un plasma débilmente ionizado en un campo eléctrico fuerte, la respuesta de la forma de la llama a los campos eléctricos, la observación y el control de la oscilación autoexcitada causada por inestabilidades termodifusivas, la medición de la temperatura y la emisión de luz de la llama, y las espectroscopias para la llama y la descarga del arco.
Chimeneas y tormentas, enemigos irreconciliables
Parece difícil a simple vista, pero no es casualidad que los rayos caigan en las chimeneas. Desde el punto de vista científico hay un motivo poderoso: el fuego es un estado especial de la materia con una particularidad, la de emitir iones, que son átomos o moléculas cargados eléctricamente. Gracias al tiro de la chimenea, los iones ascienden hacia el exterior y crean una autopista de aire cargado eléctricamente que conduce la electricidad. Esta corriente convierte a la chimenea en un auténtico pararrayos.
Por eso es conveniente apagar las chimeneas cuando llega una tormenta. Por eso y porque el movimiento del aire también puede atraer las descargas. De hecho, otro consejo común para evitar que un rayo caiga en tu casa es cerrar las ventanas para evitar crear corrientes.
Por qué el color de la llama es azul en caso de descargas eléctricas o cortocircuitos
Una chispa eléctrica se produce por la ionización del aire. Cuando dos materiales conductores tienen una gran diferencia de potencial eléctrico y la separación entre ellos no es demasiado grande, la electricidad intenta viajar entre ellos y lo hace a través del aire. Al viajar por el aire, aumenta la energía de los electrones en los átomos, provocando que algunos se desprendan de sus átomos. Esto es lo que llamamos ionización.
Tras un breve periodo de tiempo, los electrones y los átomos cargados positivamente se vuelven a unir, pero para ello, el electrón debe perder la energía obtenida. Esta energía se irradia en forma de luz. El color de esta luz depende de la diferencia de energía entre el estado de ionización y el estado neutro, y esta varía según el átomo.
El azul eléctrico es el color que se obtiene de la mezcla de gases que se encuentran en nuestra atmósfera.
El efecto corona es un fenómeno eléctrico que se produce por la ionización del gas que rodea a un conductor cargado. Ocurre espontáneamente en las líneas de alta tensión y se manifiesta en forma de halo luminoso (por el mismo efecto que las lámparas de descarga). Dado que los conductores suelen ser de sección circular, el halo adopta una forma de corona, de ahí el nombre del fenómeno que incluso para su denominación en inglés recurre a este término.
El efecto corona está causado por la ionización del aire circundante al conductor debido a las heterogeneidades de campo eléctrico en las superficies de los conductores que se producen a altas tensiones, generando diferencias de potenciales localmente altas. Al momento que las moléculas que componen el aire se ionizan, estas son capaces de conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones que circulan por la línea 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.
El gas ionizado por el efecto es químicamente activo y durante su ocurrencia se producen gases cómo ozono (O3) y monóxido de nitrógeno (NO) que evoluciona a dióxido de nitrógeno (NO2) y a ácido nítrico en ambientes húmedos. El proceso de obtención de ozono industrial se realiza por un método similar. Cuando el fenómeno se produce espontáneamente y de manera incontrolada estos gases resultan peligrosos ya que son altamente corrosivos lo cual los hace particularmente dañinos para las líneas de transporte de energía.
La primera forma de efecto corona registrada fue el fuego de San Telmo. En clima tormentoso en el mar, en ocasiones aparecían luces como flamas rojizas o azuladas en la parte superior de los mástiles de los barcos. Los marineros lo asociaban con una forma de protección y lo nombraron en honor a su patrono, Erasmo de Formia (San Telmo).
En el curso de las investigaciones sobre la electroestática en el siglo XVII, se observó por primera vez el mismo fenómeno en laboratorio. Por lo general, también se le daba el nombre de corona. Ahora normalmente se utiliza el término de efecto corona para describir este fenómeno de descarga de gas eléctrico externo.
El efecto corona puede ser suprimido utilizando anillos anticorona y pantallas que homogeneicen los perfiles de campo eléctrico en los puntos activos de interconexión.
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