¿Por qué los encendedores de motores a reacción requieren grandes voltajes?

En resumen, 40 kV no es tanto voltaje para aplicaciones que crean intencionalmente un arco eléctrico. Las bujías de los automóviles también usan voltajes de decenas de miles de voltios por la misma razón, por ejemplo.

En cuanto a por qué es eso:

En general, el aire actúa como aislante eléctrico. Es decir, la electricidad no atravesará el aire a voltajes normales. Lo cual es bueno porque, de lo contrario, tendría un arco constante a tierra a través del aire desde cualquier conductor caliente expuesto y eso causaría muchos problemas.

Como con cualquier aislante, el aire tiene una rigidez dieléctrica , medida en voltios por unidad de distancia. Para una longitud dada de aire (como el espacio de chispa en una bujía), existe un voltaje de ruptura en el cual el diferencial de voltaje por unidad de distancia excede la rigidez dieléctrica. Cuando se aplica un voltaje igual o mayor que el voltaje de ruptura a los conductores a ambos lados de dicho tramo de aire, el aire se ioniza repentinamente, creando un canal de plasma a través del aire. El canal de plasma ahora tiene una resistencia mucho, mucho, mucho menor que la que normalmente tiene el aire, lo que permite que la corriente fluya a través del espacio e iguale rápidamente el potencial (es decir, el voltaje) en cada lado del espacio.

Como probablemente sepa, el plasma tiende a estar bastante caliente. El canal de plasma creado por el proceso anterior es el arco visible que verá entre los conductores en una bujía.

Para aire a presiones normales, la rigidez dieléctrica es de aproximadamente 3 MV/m . Es decir, si desea crear un arco de 1 metro, necesitará 3 megavoltios de potencial a lo largo de él. O, en unidades más adecuadas para crear chispas de encendido (que con suerte no tienen un metro de longitud), necesita alrededor de 3 kV por milímetro. Entonces, por ejemplo, en el invierno, cuando se quita un abrigo de lana y luego experimenta una descarga eléctrica la próxima vez que se acerca a un conductor conectado a tierra, el potencial estático que se ha acumulado en usted es de aproximadamente 3 kV por milímetro (es decir, 30 kV /cm o alrededor de 75 kV/pulgada) de la longitud máxima del arco que puede crear para dicho conductor.

Entonces, en resumen, 40 kV realmente no es mucho cuando intenta crear arcos a través del aire, especialmente aire no altamente presurizado , como en un pistón o motor a reacción. Incluso distancias relativamente pequeñas requieren voltajes bastante altos para formar un arco. Lo cual es bueno para que los conductores expuestos no creen constantemente arcos a tierra. O a personas puestas a tierra, electrónica, etc.

Por cierto, esta capacidad de un campo eléctrico para ionizar el aire es la razón por la que los interruptores de las líneas de transmisión de muy alto voltaje tienen que tener polos mucho, mucho más largos que los que encontrará en los interruptores normales. En una línea de 138 kV, por ejemplo, la electricidad simplemente formaría un arco a través de un interruptor que creaba un espacio de menos de un par de pulgadas cuando estaba abierto. Quizás una brecha aún mayor cuando la humedad es alta. Y estos interruptores de hecho forman arcos al abrir y cerrar. También pueden crear arcos bastante largos durante la apertura, ya que el canal de plasma ya está en su lugar. Aquí hay un ejemplo de cómo puede verse eso a 138 kV:

Por supuesto, en este caso, tiene una fuente de voltaje más o menos continua, no solo una carga almacenada que se libera repentinamente, por lo que el arco no será solo un destello breve, sino que continuará hasta que la distancia entre los conductores se vuelven demasiado altos para mantener el arco.

Y, por supuesto, cuando el potencial entre la base de una nube y el suelo es demasiado alto, se produce un rayo. Y, sí, ese es un voltaje muy, muy alto para formar un arco a lo largo de un kilómetro o más. Según el Servicio Meteorológico Nacional de EE. UU. , un rayo típico implica potenciales de alrededor de 300 MV. Si bien eso parece un poco bajo para formar un arco a lo largo de la distancia típica de un rayo, los rayos normalmente ocurren en tormentas eléctricas donde la atmósfera ya es muy húmeda y, por lo tanto, más conductiva de lo normal.

En cuanto a la facilidad de encender el combustible para aviones, aunque en su mayoría no está relacionado con el voltaje requerido para crear una chispa a través de una distancia dada de aire, en realidad no es tan fácil de encender. A la presión de aire estándar, puede dejar caer una cerilla encendida en un balde de combustible para aviones y simplemente apagará la cerilla. También puedes crear un fuego furioso en el fuselaje de un Boeing 777y el combustible que quede en los tanques de dicho 777 no se quemará. Esto es por diseño y es una de las mejores cosas del combustible para aviones para la aviación. Si bien la densidad de energía y la energía específica de los combustibles derivados del petróleo son muy altas (según los estándares de reacción química), en realidad requiere temperaturas y/o presiones bastante altas para encender el combustible para aviones, lo que lo convierte en un combustible ideal para proporcionar mucha energía por unidad de peso sin tienden a quemarse o explotar aleatoriamente en momentos inconvenientes.

Eso no es nada especial. Las bobinas de encendido del automóvil también emiten 40 kV (intente agarrar un cable de bujía de su automóvil, que tiene una fuga de chispa debido a la ruptura del aislamiento, con la mano mientras está funcionando; ¡DIVERSIÓN, DIVERSIÓN, DIVERSIÓN!). Necesita ese voltaje para saltar un espacio de aire de manera confiable en la cámara de combustión de un pistón o motor a reacción. Ese alto voltaje permite que se usen espacios de aire bastante grandes, lo que hace que la chispa sea grande y caliente, todo lo bueno que se debe tener cuando se espera que el motor se vuelva a encender después de apagarse debido a la ingestión de agua mientras se vuela bajo una lluvia intensa.

Las bobinas de 40 kV en los automóviles son la razón por la que los enchufes automáticos funcionan con espacios muy grandes, como .040", y funcionarán bien hasta que los electrodos se reduzcan a pequeñas protuberancias.

40 kV es típico para un encendedor de chispa. El aire, especialmente el aire seco, es un aislante bastante bueno y se necesita ese nivel de voltaje para causar una falla. Una chispa de encendido es efectivamente un relámpago en miniatura y se propaga a través del aire de la misma manera; en consecuencia, necesita la misma fuerza de campo eléctrico (en voltios por metro) para comenzar.

Pero es un error hablar del nivel de kV como "energía". Es más parecido a la presión. La electricidad estática puede acumularse hasta estos niveles de voltaje, pero si camina sobre un piso de plástico con zapatos de plástico, no morirá cuando agarre la manija de una puerta de metal y se destruya. La energía de una descarga se manifiesta como la corriente multiplicada por el tiempo que dura, y la corriente de una descarga estática tan simple es de muy corta duración.

Un sistema de encendido adecuado para arrancar un motor grande se diseñará para producir de manera confiable una buena chispa gruesa, es decir, una corriente más alta durante más tiempo, y por lo tanto es mucho más peligroso.

Si uno pasa corriente a través de una bobina a bajo voltaje y la desconecta repentinamente, producirá un voltaje que es órdenes de magnitud más alto a menos que la corriente comience a fluir nuevamente (la única razón por la cual el voltaje está limitado es que si sube lo suficiente, la corriente empezar a fluir de nuevo, en alguna parte). Si uno usa dos bobinas entrelazadas con diferentes números de vueltas e interrumpe una corriente en la bobina con menos vueltas, la bobina con el mayor número de vueltas alcanzará un voltaje más alto a menos que o hasta que la corriente comience a fluir a través de una de las bobinas. Por tanto, es sencillo hacer que un pequeño conjunto convierta un bajo voltaje en chorros de alto voltaje muy cerca del lugar donde se necesita el alto voltaje. Además, es Es posible usar un imán en movimiento cerca de la bobina para inducir la corriente inicial en la bobina sin tener que suministrarle ningún tipo de voltaje. Este es el principio sobre el que funcionan los magnetos.

Tenga en cuenta que tales dispositivos no producen continuamente alto voltaje, sino que almacenan algo de energía cuando la corriente se conduce a bajo voltaje (o usando un imán en movimiento), y luego la liberan rápidamente a alto voltaje. Los dispositivos pueden representar un peligro si la cantidad de energía que almacenan a la vez es lo suficientemente grande, si ciclan a un ritmo lo suficientemente rápido como para entregar una corriente promedio sustancial, o si lo ciclan a un ritmo que puede interferir con los impulsos nerviosos en el cuerpo. .

No creo que el texto tenga la intención de sugerir que los sistemas de encendido podrían usarse como una fuente de voltaje "confiablemente letal", sino más bien advertir que incluso el contacto incidental involuntario podría, bajo las circunstancias "adecuadas", ser peligroso. Incluso si el riesgo de muerte por una descarga accidental fuera solo de 1 en 10,000, una persona prudente no debería correr tales riesgos innecesariamente.