CORONA EFFECT - EFECTO CORONA

Corona beer

It is very possible that the name "corona effect" brings to your mind the effect produced by drinking the worlwide known mexican Corona beer, however this post is rather about the effect due to the corona formed around electrodes with high curvature when they are at a high electric potential. Actually, the "corona" word (which means "crown" in english) often is used to name the ionized gas formed in some region of the space, it happens, for example, with the ionized gas around the sun, or maybe it is better to say, with the "solar corona".

Solar corona

To understand how the gas around metallic electrodes is ionized, it is important to consider that the electrostatic field of a good conductor of electricity with a high curvature (for example, the sharp tip of a needle) is very much larger than the electrostatic field around any other material with low curvature, even if this material is at the same electric potential of the first one.

Lightning rod on the top of the Eiffel tower

 It means that the "tips" exert a stronger force on the surrounding gas electric charges than the force exerted by electrodes with other different geometries. If the electrostatic field of the tips is very high, then they can induce the formation of ions around them; in fact, the design of lightning rods makes use this"metallic tips" property to direct properly the atmospheric electric discharges known as "lightnings".

 

Corona on the tip of a metallic needle

Thus, the air around a high curvature conductor material at a high voltage can be ionized, and a corona is formed around the conductor. The displacement of the corona ions, due to the electrostatic attraction force between opposite electric charges, gives place to several physical processes, which in some cases are at the origin of losses in transmission lines, because of the appearance of electric discharges. However, the displacement of the corona ions is also used in a great variety of ways, for instance it is used in air purifying devices, because it induces an electrostatic attraction between the dust particles in the environment, which then tend to form aggregates that fall down when they become massive enough; or for instance, it is used too in the printing process of the laser printers and the copy machines, because the ions attract the toner particles toward specific regions on the paper; or for instance, it is used to modify the electrostatic attraction of a particular surface in order to increase its adherence to some kinds of paints; or for instance it is used in the fabrication of threads made of solid nanofibers coming from polymer solutions.

Electrospinning device for nanofibers production

The physics of the strong electrostatic fields around high curvature conductors is behind very several applications, but it takes place in a couple of less known phenomena: the orientation of dipolar molecules in a material devoted to the conversion of photons with frequency ω in photons with frequency 2ω (it is interesting, for example, for the development of devices which convert infrared light into visible light) and the images formation in fabrics without the use of dyes (it is interesting, for example, in the study of historical pieces). In the first case, the ions are displaced toward the surface of a transparent film, which contains dipolar molecules, by means of a second electrode which also works as a  film holder; if the film thickness is short, then its electrostatic field inside is very high and the dipolar molecules tend to be oriented in a noncenotrosymmetric way along the field direction, which is a necessary condition for the films to convert incident photons into photons with the double of energy, that condition makes the films useful to work as a second harmonic generator.

Second harmonic generation

In the second case, the ions are displaced toward the surface of a fabric which is covering some object; the ions displacement toward the fabric modifies its chemical structure, recording in this way the object relieves on the fabric; there are scientists trying to explain in such a way the image formation on the Tourin shroud (also known as the Holy Shroud).

Coin on a fabric (image made by corona effect)

It is clear that the physics behind corona effect is present in a great diversity of knowledge areas, from the transmission of electric energy to the air purifying, from the printing of documents to the coating of several objects, from the textiles manufacture to the image formation in historical pieces, passing through its use in photonic devices.

Contribution to the XXXI edition of the Physics Carnival, organized by the Imperio de la Ciencia and dedicated to the Physics and its influence in other knowledge areas.

Cerveza corona

A más de uno el nombre de "efecto corona" le traerá a la mente el efecto que produce beber la mundialmente conocida cerveza mexicana de nombre Corona, sin embargo, esta entrada más bien se refiere al efecto que produce la corona que se forma alrededor de electrodos que tienen alta curvatura y que se encuentran a un alto potencial eléctrico. De hecho, la palabra "corona" suele emplearse para designar al gas ionizado que se forma en alguna región del espacio, así ocurre, por ejemplo, con el gas ionizado que se encuentra alrededor del Sol, o mejor dicho, con la "corona solar".

Corona solar

Para entender cómo es que se ioniza el gas que se encuentra alrededor electrodos metálicos, hay que considerar que el campo electrostático de un material que es buen conductor de electricidad y que tiene una alta curvatura (por ejemplo, la punta de una aguja metálica) es mucho mayor que el campo electrostático de algún otro material que tenga baja curvatura y que se encuentra al mismo potencial eléctrico que el primero.

Pararrayos en lo más alto de la torre Eiffel

Es decir, que las "puntas" ejercen una mayor fuerza sobre las cargas eléctricas del gas circundante que otros electrodos con geometrías distintas. Si el campo electrostático debido a las puntas es muy grande, éstas pueden provocar la formación de iones a su alrededor; de hecho, el diseño de pararrayos suele aprovechar esta propiedad de las "puntas metálicas" para dirigir adecuadamente las descargas eléctricas atmosféricas conocidas como "rayos".

Corona en la punta de una aguja metálica

Así que el aire que se encuentra alrededor de un material conductor con alta curvatura y que mantiene un alto voltaje, puede quedar ionizado y formando una corona alrededor del conductor. El movimiento de los iones de la corona, provocado por la fuerza de atracción electrostática entre cargas eléctricas de signo opuesto, da lugar a diversos procesos físicos que llegan a provocar pérdidas de energía en líneas de transmisión, debido a la formación de descargas eléctricas. Sin embargo, el movimiento de los iones de la corona también es aprovechado de muy diversas maneras, por ejemplo, se utiliza en dispositivos de purificación de aire, ya que induce la atracción electrostática entre las partículas de polvo que hay en el ambiente, logrando que se aglomeren y caigan al piso una vez que su masa se vuelve los suficientemente grande; o por ejemplo, también se utiliza para imprimir documentos a través de fotocopiadoras o de impresoras láser, ya que los iones atraen a las partículas de tóner hacia regiones específicas del papel; o por ejemplo, se utiliza para modificar la atracción electrostática de una superficie en particular y así aumentar su adherencia a ciertos tipos de pinturas; o por ejemplo, para la elaboración de hilos hechos de nanofibras sólidas a partir de soluciones poliméricas.

Dispositivo de electrospinning para la fabricación de nanofibras

La física de la formación de campos electrostáticos intensos alrededor de conductores de alta curvatura se encuentra detrás de muy diversas aplicaciones, sin embargo, también participa en un par de fenómenos que no son tan conocidos: la orientación de moléculas dipolares en un material para la conversión de fotones de frecuencia ω en fotones de frecuencia 2ω (de interés, por ejemplo, en dispositivos que convierten luz infrarroja en luz visible) y la formación de imágenes en telas sin el uso de pigmentos (de interés, por ejemplo, en el estudio de piezas de interés histórico). En el primer caso los iones son despalzados hacia la superficie de una película transparente que contiene moléculas dipolares mediante el uso de un segundo electrodo que sirve de soporte a la película; si el espesor de la película es muy pequeño entonces el campo electrostático en su interior es muy grande y las moléculas dipolares tienden a alinearse de forma no centrosimétrica a lo largo de la dirección del campo, lo cual es una condición indispensable para que la película pueda convertir a los fotones incidentes en fotones que tengan el doble de energía, es decir, para que la película funcione como un generador de segundo armónico.

Generación de segundo armónico

En el segundo caso los iones son desplazados hacia la superficie de una tela que recubre a algún objeto, el desplazamiento de los iones hacia la tela modifica la estructura química de ésta, quedando grabados los relieves del objeto, de esta manera hay quienes intentan explicar científicamente la imagen formada en el sudario de Turín (también conocido como Sábana Santa).

Moneda sobre un pedazo de tela (imagen hecha mediante efecto corona)

Como pueden ver, la física del efecto corona abarca muchas áreas muy diversas del conocimiento, desde la transmisión de electricidad hasta la purficiación de aire, desde la impresión de documentos hasta los recubrimientos de diversos objetos, desde los textiles hasta la formación de imágenes en piezas de valor histórico, pasando por su empleo en dispositivos fotónicos.

Aportación a la edición XXXI del Carnaval de la Física, dedicada a la Física y sus apariciones en otras áreas del conocimiento, y que en esta ocasión es organizado por el Imperio de la Ciencia.