Electromagnetismo

Efectos electromagnéticos

El efecto Barkhausen es el nombre dado al ruido en la salida magnética de un material ferromagnético cuando el campo magnético aplicado en él se cambia. Descubierto por el físico alemán Heinrich Barkhausen en 1919, es causado por los rápidos cambios de tamaño de dominio magnéticos (los átomos de manera similar magnético orientado en materiales ferromagnéticos).

El trabajo de Barkhausen en acústica y magnetismo llevó al descubrimiento, que presentó pruebas de que la magnetización afecta dominios completos de un material ferromagnético, en lugar de sólo átomos individuales. El efecto Barkhausen es una serie de cambios repentinos en el tamaño y la orientación de los dominios ferromagnéticos, o grupos microscópicos de alinear los imanes atómicos (spins), que ocurre durante un proceso continuo de magnetización o desmagnetización. El efecto Barkhausen ofrece evidencia directa de la existencia de dominios ferromagnéticos, que anteriormente había sido postulada teóricamente. Heinrich Barkhausen descubrió que un aumento lento y suave de un campo magnético aplicado a una pieza de material ferromagnético, como el hierro, hace que se magneticen, no de forma continua, sino en lapsos de un minuto.

Ruido Barkhausen

A la bobina de alambre enrollado en el material ferromagnético puede demostrar los saltos bruscos, discontinuos en la magnetización. Las transiciones repentinas en la magnetización del material de producir pulsos de corriente en la bobina. Estos pueden ser ampliados para producir una serie de clics en un altavoz. Esto suena como crujido, con pulsos sesgada que suena como el caramelo que se desenvolvió, Rice Krispies, o una estufa de leña de pino. De ahí el nombre de Ruido Barkhauseina de detección.

Estos saltos de la magnetización se interpretan como cambios discretos en el tamaño o la rotación de los dominios ferromagnéticos. Algunos grupos microscópicos de la energía atómica spin s en línea con el aumento de campo exterior de magnetización en tamaño por un repentino cambio de giros de vecinos y sobre todo en el campo magnetizante llega a ser relativamente fuertes, otros dominios de todo de repente se convierten en la dirección del campo externo. Al mismo tiempo, debido a las interacciones de canje de la gira tienden a alinearse con sus vecinos. La tensión entre los distintos tira crea avalanchas, donde un grupo de dominios de vecinos le dará la vuelta en una rápida sucesión para alinearse con el campo externo.

Uso práctico

Una puesta a punto para ensayos no destructivos de materiales ferromagnéticos: verde - horquilla de magnetización, rojo -sensor inductivo y gris - muestra bajo la prueba

La cantidad de ruido Barkhausen para un determinado material está vinculado con la cantidad de impurezas, las luxacines del cristal, etc, y puede ser una buena indicación de propiedades mecánica de tal material. Por lo tanto, el ruido Barkhausen se puede utilizar como un método de evaluación no destructivos de la degradación de las propiedades mecánicas de los materiales magnéticos sometido a esfuerzos mecánicos cíclicos (por ejemplo, en el transporte por tubería o de alta energía partículas (por ejemplo, los reactores nucleares). Diagrama esquemático de un simple no-destructiva puesta a punto para tal fin se muestra a la derecha.

Magnetización (J) o densidad de flujo (B) como la curva de la función de intesity campo magnético (H) de un material ferromagnético. El recuadro muestra los saltos de Barkhausen.

El efecto corona es un fenómeno eléctrico que se produce en los conductores de las líneas de alta tensión y se manifiesta en forma de halo luminoso a su alrededor. Dado que los conductores suelen ser de sección circular, el halo adopta una forma de corona, de ahí el nombre del fenómeno.

El efecto corona está causado por la ionización del aire circundante al conductor debido a los altos niveles de tensión de la línea. Al momento que las moléculas que componen el aire se ionizan, éstas 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.

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 (Sant Elmo).

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.

Los efectos

• Generación de luz
• Ruido audible
• Ruido de radio
• Vibración resultante del viento eléctrico
• Deterioro de los materiales como consecuencia de un bombardeo de iones
• Generación de ozono, óxidos de nitrógeno y la presencia de humedad, ácido nítrico
• Disipación de la energía

Dónde ocurre

• Alrededor de conductores de línea (Alta tensión)
• En espaciadores y amortiguadores
• Aislante eléctricos dañados - de cerámica o un material diferente de la cerámica. En alta tension
• Aislantes contaminados
• En los extremos vivos de ensambles de aislantes y manguitos aisladores
• En cualquier punto de su equipo eléctrico, donde la fuerza del campo eléctrico exceda los 3MV/m
• En ciertos árboles de gran tamaño. Esto origina temor supersticioso en la gente que no conoce el tema.

Técnicas para atenuar el Efecto Corona

• Que la tensión de fase a neutro sea menor que la tensión critica disruptiva. (Cs=Vo/Vi)
• Al aumentar el diámetro del conductor.
• Al aumentar el numero de conductores por fase.
• Al aumentar la distancia entre fases.
• Al apretar muy bien los terminales de los conductores.

El efecto corona se producirá cuando la tensión de la línea supere la tensión crítica disruptiva del aire, es decir, aquel nivel de tensión por encima del cual el aire se ioniza. La fórmula más utilizada para la determinación de la tensión crítica disruptiva es la propuesta por el ingeniero americano F.W. Peek:

Donde:

• V_c es el valor de tensión crítica disruptiva en kV.
• δ es el factor de densidad del aire.
• r es el radio del conductor en centímetros.
• DMG es la distancia media geométrica entre fases.
• RMG es el radio medio geométrico.
• n es el número de conductores por fase.
• k_r es el coeficiente de rugosidad del conductor empleado, cuyo valor suele ser:
  • 1 para conductores nuevos.
  • 0,98 - 0,93 para conductores viejos (con protuberancias).
  • 0,87 - 0,83 para cables formados por hilos.
• k_m es el coeficiente medioambiental, cuyo valor suele ser:
  • 1 cuando el aire es seco.
  • 0,8 para aire húmedo o contaminado.
• k_g es el factor de cableado.

El cálculo de RMG y DMG dependerá en cada caso de la geometría de la línea eléctrica.

El factor de densidad del aire se calcula como: 

Donde:

• T es la temperatura del aire en grados celsius
• P es la presión del aire en milímetros de mercurio.

Cálculo de las pérdidas de potencia

Para aquellos casos en los que se produce el efecto corona, la pérdida de potencia se calcula según la fórmula:

Donde:

• P_c es la pérdida de potencia en kW/km.
• δ es el factor de densidad del aire.
• f es la frecuencia de la línea en Hz
• DMG es la distancia media geométrica entre fases.
• RMG es el radio medio geométrico.
• V_s es el valor de la tensión fase-neutro (o tensión simple) en kV.
• V_c es el valor de tensión crítica disruptiva en kV.

El EFECTO CORONA consiste en la ionización del aire que rodea a los conductores de Alta Tensión. Este fenómeno tiene lugar cuando el gradiente eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire y se manifiesta en forma de pequeñas chispas o descargas a escasos centímetros de los cables.

Las líneas eléctricas se diseñan para que el efecto corona sea mínimo, puesto que también suponen una pérdida en su capacidad de transporte de energía; en su aparición e intensidad influyen los siguientes condicionantes:

• Tensión de la línea: cuanto mayor sea la tensión de funcionamiento de la línea, mayor será el gradiente eléctrico en la superficie de los cables y, por tanto, mayor el efecto corona. En realidad sólo se produce en líneas de tensión superior a 80 kV.
• La humedad relativa del aire: una mayor humedad, especialmente en caso de lluvia o niebla, incrementa de forma importante el efecto corona.
• El estado de la superficie del conductor: las rugosidades, irregularidades, defectos, impurezas adheridas, etc., incrementan el efecto corona.
• Número de subconductores: el efecto corona será menor cuanto más subconductores tenga cada fase de la línea.

Como consecuencia del efecto corona se produce una emisión de energía acústica y energía electromagnética en el rango de las radiofrecuencias, de forma que los conductores pueden generar ruido e interferencias en la radio y la televisión; otra consecuencia es la producción de ozono y óxidos de nitrógeno.

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El efecto corona es un fenómeno ampliamente conocido y no representa ningún peligro para la salud. En este sentido, la Organización Mundial de la Salud declaraba en una Nota Descriptiva publicada en noviembre de 1998 que "Ninguno de estos efectos (debidos al efecto corona) es suficientemente importante para afectar a la salud."

El ruido provocado por el efecto corona consiste en un zumbido de baja frecuencia (sobre  los 100 Hz) provocado, a su vez, por el movimiento de los iones y un chisporroteo producido por las descargas eléctricas.

(Entre 0,4 y 16 kHz). Son ruidos de pequeña intensidad que en muchos casos apenas son perceptibles; únicamente cuando el efecto corona sea elevado se percibirán en la proximidad inmediata de las líneas de muy Alta Tensión, disminuyendo rápidamente al aumentar la distancia a la línea.

Cuando la humedad relativa es elevada, por ejemplo cuando llueve, el efecto corona aumenta mucho, dando lugar a un incremento importante del ruido audible. Sin embargo, este ruido generalmente queda opacado por el producido por las gotas de lluvia golpeando en el suelo, tejados, ropa, etc., que provoca un nivel acústico superior.

En condiciones de niebla también aumenta el efecto corona y el ruido audible, pero la existencia de ésta frena la propagación del ruido, es decir, se oye más al lado de la línea pero se deja de percibir a mayor distancia.

En la valoración del impacto debido al ruido por efecto corona habrá que tener en cuenta que el nivel de ruido ambiente para un área rural varía entre los 20 y 35 dB (A), que puede llegar a ser muy superior en el caso de uso de maquinarias agrícolas o presencia de carreteras.

A modo de ejemplo, el nivel alcanzado por el efecto corona es similar al producido por un “rumor” y éste puede variar entre 10 y 20 dB, una lluvia moderada provoca un ruido de alrededor de 50 dB(A), e incluso una conversación en un local cerrado se sitúa en torno a 60 dB(A).

Valores límite recomendados por la O.M.S. (Organización Mundial dela Salud) expresados como nivel de presión acústica equivalente (Leq) con ponderación A para distintos ambientes:

 Valores límite de exposición al ruido recomendados por la O.M.S. (en dB)

A partir de todos estos datos se puede deducir que el ruido originado por el funcionamiento de la línea eléctrica es similar al valor medio del ruido que existe en medios rurales o residenciales.

Cálculo de Efecto Corona en la Línea 66 kV.  Badalona- Sant Feliu de LLobregat.

La tensión para la cual comienzan las pérdidas a través del aire se llama tensión crítica disruptiva, para cuyo valor el fenómeno no es aún visible. Los efluvios se hacen luminosos cuando se alcanza la tensión crítica visual. O sea, que la disruptiva es de menor valor que la visual.

La consecuencia práctica del efecto corona es, en definitiva, una corriente de fuga análoga a la debida a la conductancia del aislamiento, la que representa una pérdida en la energía transmitida por la línea. Esta pérdida comienza a producirse cuando la tensión de la línea supera la tensión crítica disruptiva.

La fórmula general de la tensión crítica disruptiva para la que se presenta el efecto corona se debe al ingeniero americano Peek y es la siguiente:

 

donde:

Uc = tensión compuesta crítica eficaz en kV para la que comienza el efecto Corona, esto es, tensión crítica disruptiva.

mc = Coeficiente de rugosidad del conductor. Sus valores son:

mc =1 para hilos de superficie lisa. 

mc = de 0,93 a 0,98 para hilos oxidados y rugosos.

 mc = de 0,83 a 0,87 para cables.

d = factor de corrección de la densidad del aire, función directa de la presión barométrica e inversa de la temperatura absoluta del medio ambiente: 

 siendo:

h = presión barométrica en centímetros de columna de mercurio.

q = temperatura media en grados centígrados.

mt = Coeficiente para tener en cuenta el efecto que produce la lluvia haciendo descender el valor de Uc.

 mC =1 con tiempo seco.

mC = 0,8 con tiempo lluvioso. 

r = radio del conductor en centímetros. 

D = Distancia entre ejes de fases, en centímetros.

Cálculo Línea 66 kV.  Badalona- Sant Feliu de LLobregat: 

            Datos:

-         Conductor de Aluminio (Al): 485-Al1/63-ST1A (antepenúltimo de la tabla adjunta)

-         Tensión de línea: 66 kV

-          Sección total:   547,3 mm2

-          Diámetro del cable: 30,42 mm…..r = D/2= 30,42/2=14,795mm (en cm=1,4795)

-         Coeficiente para tiempo lluvioso: mC =0,85

-          Presión barométrica: h=72,4cm de Hg.

-         Temperatura media: q = 25°C

-         Separación entre ejes de las fases: D =140 cm

-          La línea tiene un conductor por fase.

Cálculos: 

Calculamos el factor de la densidad del aire: d = factor de corrección de la densidad del aire.

Ya podemos sustituir en la ecuación de Peek:

• Tomamos como coeficiente: mC =1 como tiempo seco. 

• Ahora, tomamos como coeficiente: mC =0,8 como tiempo lluvioso:

De acuerdo a lo indicado en páginas anteriores, en este caso se comprueba que no existirá efecto Corona en la línea, ya que su tensión de servicio, 66 kV, es mucho menor que la tensión crítica disruptiva, Uc, calculada de acuerdo a las características.