Grupo de Investigación Descargas Eléctricas

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Información general

El Grupo de Descargas Eléctricas de la Facultad Regional Venado Tuerto (FRVT) inicia en 2003, en el marco de un convenio de colaboración firmado entre la UTN FRVT, y el Instituto de Física del Plasma (INFIP) (CONICET-UBA). El grupo depende del Departamento de Ingeniería Electromecánica de la FRVT y su laboratorio se encuentra ubicado en la Sede de la FRVT, Laprida 651 (2600) Venado Tuerto (Santa Fe) Argentina.

El área de investigación general es la Física del Plasma. Se denomina plasma al medio (usualmente gaseoso) que contiene un número apreciable de cargas libres, pero que es aproximadamente neutro en su conjunto. Se trata entonces de un gas conductor de electricidad, que posee una elevada conductividad eléctrica y por lo tanto pueden establecerse fácilmente corrientes eléctricas que interactúan con campos magnéticos aplicados y con los propios generados por tales corrientes. Un enorme porcentaje (> 99 %) de la materia en el universo existe en estado de plasma: el medio estelar, interplanetario e interestelar y las altas atmósferas planetarias. Sin embargo en los medios relativamente densos y/o fríos en los que se desarrolla la vida de nuestro planeta, el estado de plasma es más raro por la tendencia a la recombinación de las cargas libres. El modo usual de generación de plasmas en el laboratorio es a través de la utilización de descargas eléctricas en un gas (“descargas gaseosas”). El término descarga gaseosa se originó en la descarga de un capacitor en un circuito en el cual existe una separación entre dos electrodos sumergidos en un medio gaseoso. Si el voltaje es lo suficientemente elevado, se produce la ruptura dieléctrica del gas formándose un estado ionizado; así el circuito está cerrado y el capacitor se “descarga”. Posteriormente, el término “descarga” fue aplicado a cualquier flujo de corriente en un gas ionizado, y a cualquier proceso de ionización del gas por el campo eléctrico aplicado.

En particular, el Grupo de Descargas Eléctricas de la Facultad Regional Venado Tuerto desarrolla dos líneas dentro de las descargas de alta presión (atmosférica o mayor):

  1. Descargas de alta corriente (~ 100 A) que permiten generar plasmas muy densos y calientes (plasmas térmicos),
  2. Descargas de baja corriente (≤ 0.1 A) que permiten generar plasmas fríos con muy bajo grado de ionización (plasmas no-térmicos)
  

Integrantes

Disciplina de investigación

Plasmas térmicos

Los plasmas producidos por arcos eléctricos a presiones típicamente mayores que 104 Pa se caracterizan en general por altas frecuencias de colisión entre sus componentes. Usualmente, debido a las elevadas frecuencias de colisión, se forma en el centro de estos arcos de elevada corriente un plasma en equilibrio termodinámico local (LTE). Este tipo de equilibrio cinético se produce en un medio lo suficientemente denso de modo que los electrones puedan ceder a las partículas pesadas (a través de colisiones elásticas) la energía entregada por el campo eléctrico; se produce así una equipartición de la energía entre las diferentes especies. Este tipo de plasma caracterizado por una única temperatura (≈ 10000 ÷ 30000 K) se denomina plasma térmico.

Plasma térmicoPlasma térmico

Las elevadas densidades de plasma (≈ 1023 m-3), elevadas entalpías específicas (≈ 108 J kg-1) y elevadas velocidades de flujo (≈ 500 ÷ 7000 m s-1) son propiedades características típicas de los plasmas térmicos. Estas características los hacen sumamente atractivos a nivel tecnológico. Los plasmas térmicos fueron empleados industrialmente desde la década de los 50 y su interés ha crecido sustancialmente en las últimas décadas. Aplicaciones típicas de esta tecnología incluyen el procesado de materiales (tratamientos térmicos, producción de partes cerámicas, síntesis de compuestos como dióxido de Titanio) así como varias aplicaciones metalúrgicas y de iluminación. Los plasmas térmicos han sido también utilizados para el tratamiento de residuos y otros materiales nocivos desde el punto de vista ambiental, como residuos hospitalarios, destrucción de materiales tóxicos, etc.

Estos plasmas, se generan comúnmente por medio de descargas eléctricas (descargas de corriente constante d-c, de radiofrecuencia o microondas), y dado que en muchas aplicaciones se emplea una geometría coaxial de electrodos, y la descarga es “soplada” con un gas a alta presión (para estabilizar la descarga y proporcionar un blindaje térmico a los electrodos), el plasma resultante adquiere la forma de una antorcha (o soplete de muy alta temperatura). Por este motivo, estos dispositivos se denominan antorchas de plasma.

Las antorchas estándar de arco no-transferido estabilizadas por vórtice de gas emplean un cátodo central de cobre con un inserto de tungsteno es su punta como emisor termoiónico, y un ánodo anular de cobre que oficia de tobera. Ambos electrodos requieren en general refrigeración interna por circulación de agua. El gas de trabajo se inyecta con velocidad tangencial (vorticidad) en el espacio entre los dos electrodos para mantener la raíz anódica del arco en un movimiento continuo sobre la superficie interna de la tobera. Típicamente la intensidad de corriente en este tipo de antorchas está en el rango de unos pocos cientos de amperios hasta 1000 A o más. La tensión del arco depende en gran medida de la naturaleza del gas de operación y puede variar entre 25 a 30 V con la antorcha operando con argón puro hasta 80 o 100 V cuando se opera con gases moleculares [1, 5]. Debido a que el gas es forzado a fluir a lo largo del arco dentro de la tobera, el gas se calienta y emerge del ánodo como un jet de plasma parcialmente ionizado de alta velocidad (en la línea central la velocidad del plasma puede ser tan alta como 1000 m s-1) y alta temperatura (~ 12000 K en la línea central). El diámetro del ánodo es típicamente del orden de 5 a 8 mm, dependiendo de la corriente de la descarga.

Las antorchas de arco transferido operan con un electrodo (usualmente el ánodo) transferido al exterior y constituido por la pieza de trabajo. Esta característica implica que la pieza de trabajo deba ser conductora de la electricidad y por ello se las utiliza comúnmente para el corte, perforación y soldadura de metales. Las antorchas para el corte de metales estabilizadas por vórtice de gas poseen una tobera metálica con un diámetro del orden de 1 mm y eléctricamente aislada del circuito para constreñir y estabilizar el arco de plasma hasta densidades de corriente ~ 108 Am-2. Debido al alto grado de constricción alcanzado con esas antorchas el arco de plasma se caracteriza por poseer altas temperaturas (hasta ~ 30000 K) y velocidades (~ 1000 ÷ 7000 m s-1) que son más elevadas que en los plasmas producidos por antorchas de arco no-transferido. El rango de corrientes típicamente es de algunos cientos de amperios.

Plasmas no-térmicos

El interés tecnológico y científico de los plasmas generados con descargas de baja potencia a presión atmosférica es muy grande, tanto por sus vastas aplicaciones tecnológicas (control de flujo en capas límite de objetos en vuelo, purificación de gases contaminados, esterilización de heridas e instrumental médico, etc.;) como por su interés académico, debido a que aparecen complejos fenómenos hidrodinámicos acoplados a procesos de creación y destrucción de partículas y de transferencia de energía entre las distintas especies del plasma y las paredes del recinto de descarga (conducción y convección térmica, mezclado plasma-gas neutro por turbulencia, interacciones elásticas e inelásticas entre las partículas del plasma y las neutras, etc.), que son muy interesantes para un estudio de la física básica de plasmas.

Plasma no térmicoPlasma no térmico

En las descargas de alta presión (atmosférica) se requiere usar tensiones elevadas (del orden de la decena de kV) para producir la ruptura dieléctrica del gas. Empleando una potencia baja (es decir, limitando la corriente de descarga) se genera un plasma frío, donde la mayor parte de la energía eléctrica se emplea en la generación de electrones energéticos; mientras que el gas en el cual se realiza la descarga prácticamente no se calienta debido a que el grado de ionización es muy bajo, y los escasos electrones no transfieren su energía a los iones y partículas pesadas debido a la enorme diferencia de masa. Se tiene así un sistema con dos temperaturas: electrones muy calientes (~ 15000 ÷ 30000 K) y neutros e iones fríos (~ 300 ÷ 500 K) que se denomina plasma no-térmico. Uno de los tipos más comunes de plasma no-térmico que se utilizan es la descarga de corona positiva o negativa. La descarga corona se produce a presiones altas (~1atm), al aplicar tensiones suficientemente grandes en configuraciones de conductores que admiten fuertes gradientes de campo eléctrico en la cercanía de al menos uno de los electrodos (llamado electrodo activo). Existen diferentes mecanismos de ruptura según el tipo de descarga. En el llamado mecanismo de Townsend los iones positivos generados durante una avalancha de ionización son atraídos hacia el cátodo, y al impactar en su superficie son extraídos más electrones, dando lugar al inicio de nuevas avalanchas. Otro posible mecanismo de ruptura es el de generación de delgados canales de plasma, llamados “streamers”. Los streamers son capaces de conducir corriente, y durante su formación se propagan a lo largo del rastro de carga positiva dejado por la avalancha primaria. En la corona negativa, el mecanismo de inicio es el de Townsend. En la corona positiva, la multiplicación de electrones ocurre gracias a procesos de fotoemisión. Esta descarga es de aspecto filamentoso y está compuesta de streamers.

Un tipo diferente de descarga de baja potencia es la de barrera dieléctrica DBD. Esta descarga ha obtenido creciente interés en los últimos tiempos por sus aplicaciones en áreas como la aerodinámica, tratamientos de superficies, producción de ozono y reducción de contaminantes. La configuración básica consiste en dos electrodos donde al menos uno de ellos está recubierto por un material aislante o dieléctrico. Para diferencias de tensión suficientemente grandes, se producirá la ruptura eléctrica del medio gaseoso entre los electrodos, generándose un flujo de corriente entre los electrodos y el material dieléctrico. Sin embargo, la carga no logra traspasar de un electrodo a otro, ya que el medio dieléctrico actúa como barrera (dicho medio no experimenta ruptura). Las cargas se acumulan en la superficie del aislante y generan un campo eléctrico que se opone al aplicado externamente, atenuando la descarga. Por lo tanto, se trata de un fenómeno pulsado, que debe ser generado utilizando una fuente de tensión variable. Dependiendo de condiciones como la presión, el tipo de gas y posicionamiento de electrodos, la descarga puede estar compuesta por streamers o tener las características de una descarga tipo luminiscente transitoria.

Otro interesante tipo de descarga de baja potencia es la llamada mini-antorcha. Esta descarga se produce entre dos electrodos enfrentados (aplicando tensión continua, tensión alterna de baja frecuencia, o tensión de radiofrecuencia) pero limitando la corriente de descarga hasta valores inferiores a 1 A. A su vez, se aplica transversalmente a la dirección de la descarga un elevado flujo de gas neutro que arrastra los productos de la descarga fuera de la región inter-electródica, en la misma forma que se hace en los sopletes (o antorchas) de plasma de alta corriente. Esta geometría permite generar un chorro de plasma fuertemente direccional, y cuya temperatura decrece muy rápidamente al alejarse de los electrodos.

Objetivos

  1. Diseño, construcción, optimización y aplicaciones de antorchas de plasma en la modalidad de arco transferido y no transferido.
  2. Desarrollo, estudio, optimización y aplicaciones de descargas eléctricas no-térmicas a presión atmosférica.
  3. Formación de recursos humanos especializados en Física del Plasma con capacidad de implementación de diversas técnicas de diagnóstico para el estudio de los plasmas producidos.
  4. Formación de recursos humanos especializados en Física del Plasma con capacidad de implementación de códigos numéricos para el estudio de los plasmas producidos.
  5. Asesoramiento y transferencia de conocimientos a empresas tecnológicas.

PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

Publicaciones en libros o capítulos de libros con referato

Publicaciones en revistas con referato

Publicaciones en revistas sin referato

Actas de congresos con referato

Tesis de Posgrado concluidas

Participación en Congresos Internacionales

Participación en Congresos Regionales y Nacionales

Dictado de cursos, conferencias, seminarios