Dossier de Física

Actividad Evaluativa.

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Sistemas de aspersión electrostática.

¿Qué Son?

Sistemas de aspersión electrostática son procesos de acabado por aspersión, alli se usan cargas eléctricas para traer partículas de material atomizado.

Sistemas de aspersión en la Agricultura:

Se ha vendido con mucho éxito para el control eficaz de plagas, ademas de que reduce la cantidad de plaguicida y fertilizante.

Este sistema utiliza un equipo adaptado a la salida del sistema emisor y, al momento de salir la mezcla agua más plaguicida, esta mezcla se carga eléctricamente con carga positiva la cual es atraída por la carga negativa o neutra lo que provoca que la cubertura incremente.

Permite que la evaporación y deriva del viento, por acción de la atracción eléctrica, se minimice.

Sistemas de aspersión en la industria:

-Plantas de alimentos:El objetivo de las plantas procesadoras de alimentos es el ahorro de productos sanitizantes y conservadores, como en el caso de la limpieza de plátanos, en la industria cárnica, etc. Las características de la electrostática proporcionan un mejor cubrimiento de los productos y un ahorro de químicos.

-Des-contaminación de equipos y personal: Efectividad máxima en la descontaminación de agentes biológicos o químicos.

Se pueden aplicar en vehículos teledirigidos para el interior de edificios o túneles al mantener a los operarios a una distancia segura.

-Transportación: La desinfección de los barcos y los aviones con servicios electrostáticos ofrece a sus clientes mayor seguridad y salud. Tienen disponible un nuevo instrumento para eliminar virus localmente. También en los transportes de productos y equipos que pueden llegar a contener una enfermedad o plagas.

Procesos Industriales: Importante aplicación de la descarga eléctrica en gases es una diapositiva llamada precipitador electrostático. Este aparato se utiliza para eliminar partículas de materias de los gases de combustión, reduciendo de ese modo la contaminación del aire.

Sistemas de aspersión en la cosmética.

Los bronceados (sin sol) son debidos a la aplicación, por medio de aspersores, de químicos en la piel.
Estos sistemas pulverizan la solución bronceadora, atomizada en partículas de 40 micras para conseguir una mayor absorción en la piel, para obtener una cobertura total y uniforme del cuerpo. De esta forma, se logra un menor consumo de solución por aplicación. La polarización directa de la solución asegura una carga positiva constante en las partículas de bronceado. El cuerpo, que está cargado negativamente, consigue la máxima atracción de las partículas, logrando una distribución uniforme por todo el cuerpo.

Generador de Van de Graaff. Relación con la electrostática, aplicaciones.

El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga electrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los cinco megavotios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos x, esterilizaciòn de alimentos y experimentos de fisica de particulas y fisica nuclear.

Historia.

El generador de Van de Graaff fue desarrollado a comienzos de 1929 por el físico Robert J. Van de Graaff en la Universidad de Princeton en conjunto, con la ayuda de su colega Nicholas Burke. El primer modelo fue demostrado en octubre de 1929. La primera máquina utilizó un bote común y corriente, un pequeño motor, y una banda de seda que fueron compradas en una tienda de variedades con lo cual, se hizo cargo del departamento de física solicitando cien dólares con el fin de mejorar las condiciones. Obtuvo el dinero, con cierta dificultad. Antes de 1931, reportó que había alcanzado los 1.5 millones de volts, diciendo que 'la máquina es simple, económica y portátil'. Un enchufe de lámpara común proporciona la energía necesaria. Según la aplicación de una patente, tenía dos esferas con acumulación de carga, cada una de 60 centímetros de diámetro montado en unas columnas de vidrio borosilicatado de 180cm de altura; el aparato tuvo un costo de solo $90 dólares en 1931.

Van de Graaff aplicó para una segunda patente en diciembre de 1931, el cual fue asignado al Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) a cambio de una parte de los ingresos netos. Luego la patente fue dada por hecho.

En 1933, Van de Graaff construyó un modelo de 40 pies (12 m) en la instalación de Round Hill del MIT, el cual fue donado al Coronel Edward H. R. Green.

Consta de:

1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior.

2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje.

3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje.

4.- Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.

5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora).

6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano.

Funcionamiento

Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. 

Veamos el funcionamiento de uno didáctico construido con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra y el rodillo superior hecho de metal.

El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa. 

El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del “peine” situadas a unos milímetros de la banda, ioniza el aire. Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma. El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo. El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras moléculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa de la correa . Las cargas eléctricas negativas (moléculas de aire con carga negativa) adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga está garantizado.

La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubriéndola a medida que va pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que sobre el rodillo.

Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las del cilindro, pero estas no intervienen en los procesos de carga de la esfera.

El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del “peine” metálico.

Jaula de Faraday, aplicación tecnológicas.

Se conoce como jaula de Faraday al efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positiva mente en la dirección en que va el campo electromagnético y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.

Este fenómeno, descubierto por Michael Faraday, tiene una aplicación importante en aviones o en la protección de equipos electrónicos delicados, tales como discos duros o repetidores de radio y televisión situados en cumbres de montañas y expuestos a las perturbaciones electromagnéticas causadas por las tormentas.

Historia

En 1836, Michael Faraday observó que el exceso de carga en un conductor cargado residía únicamente en su exterior y no tenía ninguna influencia sobre nada encerrada en ella. Para demostrar este hecho, construyó una sala recubierta con papel de aluminio y las descargas de alta tensión permitidas a partir de un generador electrostático golpean el exterior de la habitación. Usó un electroscopio para mostrar que no había ninguna carga eléctrica presente en el interior de las paredes de la habitación.Aunque este efecto jaula se ha atribuido a los experimentos del cubo de hielo de Michael Faraday  realizados en 1843, fue Benjamin Franklin en 1755 quien observó el efecto descendiendo una bola de corcho sin carga suspendida de un hilo de seda a través de una abertura en una lata de metal con carga eléctrica. En sus palabras, «el corcho no fue atraído por el interior de la lata como habría sido en el exterior, y aunque tocó la parte inferior, sin embargo, cuando se sacó no se encontró electrificada (cargada) al tacto, como habría estado tocando el exterior. El hecho es singular». Franklin había descubierto el comportamiento de lo que ahora se refiere como una jaula de Faraday o escudo (basado en experimentos posteriores de Faraday, que duplicaron el corcho y caja de Franklin).

¿Cómo funciona la Jaula de Faraday?

Primero vamos a tratar de comprender cómo funciona la jaula de Faraday.En su experimento original, Faraday utiliza la hoja de metal para recubrir por completo una habitación.A continuación, utiliza un generador electrostático de emitir descargas de alto voltaje y la huelga de los exteriores de la habitación.Una vez que este campo eléctrico externo se aplicó a la sala, los campos eléctricos aplicados ejerce una fuerza sobre los portadores de carga dentro de la habitación. Esto dio lugar a una corriente que se genera hace que los cargos dentro de la sala, se reorganizan. Este reordenamiento de los cargos luego llevó a la cancelación del campo aplicado en el interior, por lo tanto, lo que hace la sala, neutral.Faraday entonces se utiliza un electroscopio. Un electroscopio es un instrumento científico que se utiliza para detectar y medir la carga eléctrica de un cuerpo en particular. El electroscopio reveló que no había carga eléctrica detectada en las paredes interiores de la habitación.Una jaula de Faraday funciona mejor cuando está conectado a la tierra. De esta manera, las cargas electromagnéticas que actúan sobre la caja puede llevarse a cabo sin causar daño en el suelo, manteniendo el contenido de la caja afectada.Por lo tanto, la jaula de Faraday se puede utilizar de dos maneras:Un cascarón vacío, la realización de que no dispone de ningún campo eléctrico, incluso cuando se coloca en un muy fuerte campo eléctrico externo. Los cargos en la superficie que se conduzcan reorganizar de tal manera que el campo eléctrico dentro de la cáscara se convierte en cero.A la inversa también funciona. Si existe la presencia de un campo eléctrico muy fuerte dentro de la cáscara, los cargos en el ámbito exterior de la jaula de Faraday se convertirá en punto muerto.

Aplicaciones en la vida diaria.

A diferencia de otros científicos muy influyentes como Thomas Edison o Nicolás Copernico, Michael Faraday no logró esa "fama" en sus años posteriores. No obstante, muchos de los dispositivos que utiliza a diario, son reales gracias a los estudios y descubrimientos de este científico.

Después de observar como Faraday empezó a revolucionar diversos aspectos de la ciencia, podemos ver claramente sus aplicaciones de la vida diaria. Algunos ejemplos son los que se nombran a continuación:

Seguridad contra relámpagos

Tanto los coches como también pueden ser los aviones, pueden someterse alguna vez a una tormenta eléctrica, y estos debido a su estructura podremos comprobar que en este caso pueden actuar como Jaulas de Faraday para proteger a todo aquel que viaje en su interior.

 

Microondas

Las microondas dentro del horno se encuentran atrapados y se utiliza con el fin de cocinar, donde la cubierta metálica del horno de microondas actúa como una jaula de Faraday. 

Protecciones para los productos electrónicos

Los equipos electrónicos pueden ser blindados y protegidos de la perdida campos electromagnéticos mediante el uso de cables coaxiales que contienen una capa conductora que actúa como una jaula de Faraday.

Trajes de protección para los técnicos que trabajan con materiales de alta tensión

Suelen llevar trajes de protección que actúan como jaulas de Faraday para garantizar su seguridad mientras se trabaja con líneas eléctricas de alta tensión. Estos trajes de protegerlos de electrocutarse.

Motores eléctricos

El primitivo motor de Faraday fue el responsable de los muchos motores eléctricos que aparecieron años después. El modelo inicial propuesto por Faraday era algo complejo, pero, con el paso de los años, ha ido evolucionando hasta los que conocemos hoy en día.

Aislantes e inhibidores

 Muchos sitios suelen tener mala cobertura y esto tiene fácil respuesta desde que conocemos las teorías de Faraday ya que esos sitios pueden tener una estructura metálica, la cual crea una especie de jaula de Faraday, impidiendo que las ondas penetren y salgan del edificio.

Energía hidráulica.

Tanto la energía hidráulica como la dinamo, hacen uso de generadores, los cuales convierten su propio movimiento en energía eléctrica.  Estos generadores parten de muchas teorías propuestas por el científico. También podemos encontrar en los cargadores de móviles o de cualquier otro dispositivo electrónico con batería, ciertos transformadores que viene de sus teorías.

Pintura Electrostática

La pintura electrostática es un tipo de recubrimiento que se aplica como un fluido, de polvo seco, que suele ser utilizado para crear un acabado duro que es más resistente que la pintura convencional.
 Es llamada pintura electrostática por la manera en que se adhiere a las piezas y para que esto suceda es necesario utilizar una máquina de pintura en polvo, un equipo especializado en el que la pintura se mezcla con el aire cargándola eléctricamente. Al cargarse eléctricamente, las partículas de pintura son atraídas a la superficie a pintar, por lo regular metálica o plástica, que está a tierra.
Una vez adheridas a la superficie, para que las partículas se fijen a ella se someten a un proceso de calentado en un horno de curado en el que se transforman en un revestimiento continuo. Lo anterior se debe a que en el momento en que los pigmentos se funden por efecto del calor, las resinas y minerales reaccionan formando una película duradera y uniforme sobre la superficie en la que se ha aplicado la pintura.

Aplicaciones.

• Objetos, piezas y partes metálicas ferrosas y no ferrosas

Muebles metálicos y plásticos de oficina, Archivadores, Armarios de metal, Gabinetes, Ductos, Repisas, Pedestales, Costados, Mástiles, Bases, Pantallas, Faldones, Herrajes y accesorios para oficina abierta.

• Sector Comercial

Estanterías, Exhibidores, Luminarias, Equipos de calefacción, Señales de transito, Esculturas, Ornamentación, Bicicletas, Motocicletas, Amortiguadores, Piezas de automóviles, Limpiabrisas, Exhostos, Cerrajería, Artesanías, Juguetes, Artículos en alambre, Cajas fuertes.

• Sector Industrial

Lámina, Tubería, Platina y perfilería en Cold Rolled y Hot Rolled, Maquinaria, Herramientas, Imprimaciones Anticorrosivas, Andamios, Piezas metalúrgicas, Vigas, Planchas, Formaletas, Estanterías, Ductos, Caños, Tuberías, Galpones, Silos, Electrodomésticos. Partes y piezas de automóviles, Tejas metálicas onduladas y acanaladas, Ductos de ventilación.

• Sector Hospitalario

Camillas, Estructuras de mesas y camas, Biombos, Ortopédicos, Escalas, Carros de instrumentación, Mesas puente, Paneles médicos.

• Sector Hogar

Muebles de terraza, Barandas, Escaleras, Estufas, Neveras, Radiadores, Buzones, Calentadores, Pasamanos, Camas, Mesas, Marcos para cuadros, Repisas, Roperos, Rejillas de aire acondicionado, Cerraduras, Grifos, Elementos sanitarios, Puertas, Portones, Protecciones, Paneles para fachadas.

• Sector Eléctrico

Canaletas, Dieléctricos, Poste de Alumbrado, Porta cables, Tableros, Contadores, Cofres, Bastidores, y Gabinetes eléctricos.

• Objetos, piezas y partes en aluminio

Perfilaría de aluminio para divisiones para baño y oficina, Ventanería arquitectónica, Portones de acceso, Corta soles, Láminas, Marcos, Puertas, Llantas de automóviles.

Proceso de pintura electrostática.

Consta de 3 pasos:
3. Curar: la pieza recubierta con el polvo se hornea a 180 grados centígrados para que la pintura polimerice, y adquiera su acabado final.

1. Pre tratamiento del metal: desengrasar la pieza y aplicarle una capa de fosfato mediante inmersión o por lanza manual, dependiendo el fosfatizante que se utilice (hierro o zinc).

2. Pintar: lograr que la pintura en polvo se adhiera al metal electrostáticamente (dentro de una cabina de aplicación y recuperación de polvo).

Ventajas.

1. Apariencia: la pieza pintada parece más fina, de mejor calidad, porque la película es mucho más gruesa y aparenta mayor volumen visual. Redondea los filos. La pintura es más tersa al tacto.

2. Resistencia mecánica: la pintura en polvo es mucho más resistente a los golpes, rayaduras, etc.
3. Resistencia química: resiste más la intemperie, los rayos ultravioleta, los ácidos, alcalinos, etc.

Filtros Electrostáticos.

El precipitador electrostático es un dispositivo utilizado para  la descontaminación del aire que utiliza las fuerzas eléctricas para la remonición de la fracción sólida de un efluente, dirigiéndo las particulas hacia las placas del colector. Las partículas se cargan mediante el choque con iones gaseosos creados por la ionización del aire creado entre los electrodos, tras la carga las partículas siguen las líneas de campo producidas por el alto voltaje hasta la superficie del electrodo colector. Las partículas deben ser eliminadas de las placas y recolectadas en una tolva, evitando que se reencaucen en la corriente gaseosa.

Tipos de precipitadores:

Precipitador de placa-alambre. Consta de placas paralelas y alambres entre las placas. Esta disposición permite muchas líneas de flujo operando en paralelo, y a su vez pueden ser muy altas, lo que permite a este tipo de precipitador tratar grandes volúmenes de flujo. Las placas son el electrodo colector, que deben ser golpeteadas periódicamente para desprender el material recolectado. Hay que tener en cuenta la resistividad del material recolectado, ya que altas resistividades provocan la situación de corona invertida (se inyectan iones de polaridad contraria que disminuyen la eficiencia de recolección), si la resistividad es muy baja, las partículas se mantienen en la placa muy disgregadas, lo que provoca fenómenos de resuspensión, lo que también disminuye la eficiencia. En el cálculo de la resistividad del material influyen muchos factores como: naturaleza del gas y del material recolectado, temperatura, humedad, características de la superficie recolectora, etc.



Precipitador de placas planas. En este tipo de precipitadores electrostáticos, de menor tamaño, se sustituyen los alambres por placas planas para los electrodos de alto voltaje. Esto incrementa el campo eléctrico promedio usado para recolectar partículas y proporciona una mayor área superficial. Las coronas no pueden formarse entre placas planas, por lo que hay que incorporar electrodos adicionales a la entrada de las placas que generen las coronas. Los precipitadores de placas planas son menos susceptibles a la formación de corona invertida, siendo especialmente útiles para la recolección de material con gran resistividad. Además, son menos propensos a la formación de chispas, por lo que suelen ser de polaridad positiva, para minimizar la formación de ozono.



Precipitador tubular. Los precipitadores tubulares tienen forma de tubo, o tubos en paralelo con forma de panal, con el electrodo de alto voltaje en forma de alambres. Normalmente son lavados con agua, por lo que son más utilizados con particulados húmedos o pegajosos.



Invensión.

En 1907 el Dr. Frederick G. Cottrell solicitó una patente de un dispositivo para cargar partículas y después recolectarlas a través de la atracción electrostática: el primer descontaminador electrostático
Cottrell primero utilizó el dispositivo para la recolección de niebla de ácido sulfúrico emitida de varias actividades de fábricas de ácido y de la fundición.


Aplicaciones del precipitador electrostático

• Fabricación componentes electrónicos.
• Industria textilIndustria del plástico [D.O.P. plastificantes).
• Mecanizado (nieblas de aceite).
• Humos de soldadura (Industria del automóvil).
• Extrusión del aluminio (mezcla grafito/aceite lubricante).
• Polvo atmosférico.

Filtros vendidos al público.

Las placas precipitadores son comúnmente ofertadas al público como dispositivos purificadores o como reemplazo permanente para los filtros de horno, pero todos tienen el indeseable atributo de ser difíciles de limpiar. Un efecto secundario indeseable de los dispositivos de precipitación electrostática es la producción de ozono. Sin embargo, los precipitadores electrostáticos ofrecen beneficios sobre otras tecnologías de purificación del aire,como la filtración HEPA que requiere filtros caros y puede convertirse en una producción inmensa de muchas formas dañinas de bacteria.

Con los precipitadores electrostáticos, si la colección de las placas permiten acumular grandes cantidades de partículas de materia, las partículas a menudo se enlazan tan firmemente a las placas metálicas, que un lavado vigoroso y una depuración serán necesarias para la completa limpieza de las placas. El espacio cerrado entre las placas pueden convertir la limpieza en algo difícil, y el apilado de placas a menudo puede ser difícil de desmontar para la limpieza.