Aplicaciones electrostáticas en sistemas de impresión de imágenes

Universidad Nacional de Colombia 1
Aplicaciones electrostáticas en sistemas de impresión de imágenes y
descontaminación.
APLICACIONES
ELECTROSTÁTICAS EN
SISTEMAS DE IMPRESIÓN DE
IMÁGENES Y
DESCONTAMINACIÓN.
Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
John Alexander Pachón Morales [1]
Cód. 244669
Mayo de 2010
Una aproximación a los comportamientos y fenómenos electrostáticos relacionados con
los sistemas desarrolladores de xerografía, y los procesos de descontaminación a través
de precipitadores de partículas.
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[1] Contacto: japachonm@unal.edu.co
Universidad Nacional de Colombia 2
Aplicaciones electrostáticas en sistemas de impresión de imágenes y
descontaminación.
APLICACIONES ELECTROSTÁTICAS EN SISTEMAS DE IMPRESIÓN DE IMÁGENES Y DESCONTAMINACIÓN.
[1]
John Alexander Pachón Morales .
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia
RESUMEN
El estudio de los fenómenos electrostáticos es de especial relevancia para la física de la electricidad, ya que sus
aplicaciones en un entorno común son bastas. El modelamiento matemático de tales fenómenos adquiere importancia
en muchos procesos de la vida cotidiana y genera una mejor compresión y aprovechamiento de las potencialidades de
dicho proceso. Se presentan en el artículo dos expresiones comunes de la aplicabilidad de la electrostática en contextos
relativamente distintos, pero que comparten sus bases en las propiedades eléctricas de los materiales que componen
los equipos y que agrupados en un mismo proceso representan dispositivos de gran utilidad. La impresión de imágenes
vía xerografía y la descontaminación por precipitadores electrostáticos de ambientes con material particulado nocivo
son ambos procesos que involucran principios físicos inherentes a la electrostática y que pueden ser descritos,
modelados y optimizados a través de las relaciones matemáticas intrínsecas a estos principios.
Palabras Clave: Xerografía, Electrostática, Fotoconductores, Electrofotografía.
The study of electrostatic phenomena is of particular relevance to the physics of electricity, because its applications in a
common environment are big. Mathematical modeling of such phenomena becomes important in many processes of
everyday life and creates a better understanding and exploitation of the potentials of this process. Are presented in the
article two common expressions of the applicability of the electrostatic in relatively different contexts, but share their
bases in the electrical properties of the materials that make up the teams and grouped in the same proceedings
represent useful devices. The picture’s printing for xerography, and the decontamination by electrostatic precipitators of
environments with harmful particulate matter are both processes that involve physical principles inherent to
electrostatics and can be described, modeled and optimized through mathematical relationships on these principles.
Keywords: Xerography, Electrostatics, photoconductors, Electrophotography
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INTRODUCCIÓN.
La física de la electrostática estudia los
fenómenos producidos por distribuciones de
cargas
eléctricas,
esto
es,
el campo
electrostático de
un
cuerpo
cargado.
Históricamente, la electrostática fue la rama
del electromagnetismo que
primero
se
desarrolló. Con la postulación de la Ley de
Coulomb las aplicaciones electrostáticas fueron
analizadas en experimentos de laboratorio a
partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad
del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron
definitivamente su estudio y explicación, y
permitieron demostrar cómo las leyes de la
electrostática y las leyes que gobiernan
los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas
2
en
el
mismo
marco
denominado electromagnetismo.
teórico
La existencia del fenómeno electrostático es bien
conocida desde la antigüedad. Existen numerosos
ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la
enseñanza moderna, como el hecho de que
ciertos materiales se cargan de electricidad por
simple frotamiento y atraen pequeños trozos de
1
papel o pelo .
[1] Contacto: japachonm@unal.edu.co
APLICACIONES ELECTROSTÁTICAS EN SISTEMAS
DE USO COMÚN.
1.
Impresión de imágenes y xerografía.
Universidad Nacional de Colombia 3
Aplicaciones electrostáticas en sistemas de impresión de imágenes y
descontaminación.
Las nociones y primeras estructuraciones del
proceso de electrofotografía o xerografía fueron
desarrolladas por Chester Floyd Carlson, quien
por ello obtuvo una patente para el proceso
xerográfico en 1940. El prefijo “xero” proviene de
su palabra griega equivalente que significa “seco”
y que caracteriza al proceso, ya que durante toda
su realización no se requiere la mediación de
partículas de tinta líquida.
La idea principal que determina y particulariza al
procedimiento es la utilización de un material
fotoconductor para formar una imagen impresa.
Un fotoconductor es un material que es aislante
o mal conductor en la oscuridad pero que mejora
sus propiedades eléctricas de conducción cuando
es sometido a fuentes lumínicas.
El proceso xerográfico o de impresión en seco se
ilustra en la figura 1. Primero se recubre la
superficie de una placa o tambor con una película
delgada del material fotoconductor (en general,
selenio o algún compuesto de este elemento), y
se le proporciona una carga electrostática
positiva en la oscuridad. La proporción de esta
carga se aplica aprovechando las propiedades de
los materiales de electrificarse (adquirir o perder
carga) definidas a través de la serie triboeléctrica.
Si se quiere que el material fotoconductor
adquiera carga positiva, debe someterse a
contacto o frotamiento con materiales que
tiendan a ser aceptores de electrones y que
ocasionen la pérdida de partículas cargadas en la
2
superficie del conductor .
La superficie de selenio puede clasificarse como
semiconductora pues se comporta en ocasiones
particulares como aislante, y en otras como
conductor, en general, cuando se somete a
2
fuentes de luz específicas .
La imagen de la página que se va a copiar se
proyecta entonces, con una lente o espejo, sobre
la superficie cargada. La lámina fotoconductora
se vuelve conductora sólo en áreas donde la luz
incide. En esas áreas la luz produce portadores de
carga en el fotoconductor, los cuales mueven la
carga positiva del tambor. Sin embargo, las cargas
positivas inducidas previamente permanecen en
aquellas áreas del fotoconductor no expuestas a
la luz, lo que deja una imagen latente del objeto
3
Revista Colombiana de Física.
en la forma de una distribución de carga
superficial positiva.
Luego un polvo con carga negativa, llamado
“tóner” se esparce sobre la superficie
fotoconductora. El polvo cargado se adhiere sólo
a aquellas áreas de la superficie que contienen la
imagen con carga positiva. Esta adhesión se da en
virtud de la diferencia en los signos de las dos
cargas interactuantes, lo que crea una fuerza
electrostática atractiva entre los dos materiales.
En este punto la imagen se vuelve visible. El tóner
(y por tanto, la imagen) se transfiere después a la
superficie de una hoja de papel cargado
positivamente.
Figura 1. Funcionamiento esquemático del proceso
xerográfico3.
Por último, el tóner se “fija” a la superficie del
papel conforme el se funde mientras pasa a
través de rodillos a alta temperatura y presión.
Existen en cada impresora xerográfica igualmente
diversas coronas (de separación, de transferencia
y de carga) que cumplen funciones periféricas y
de transporte entre los diferentes elementos de
la máquina. Esto produce una copia permanente
del original. Una impresora láser opera por el
mismo principio, con la excepción de que usa un
rayo láser dirigido por computadora para iluminar
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el fotoconductor, en lugar de una lente .
2.
Precipitador electrostático.
Universidad Nacional de Colombia 4
Aplicaciones electrostáticas en sistemas de impresión de imágenes y
descontaminación.
Una importante aplicación la electrostática en
procesos de descontaminación a través de
descargas eléctricas en gases es el precipitador
electrostático. Este aparato se utiliza para
eliminar partículas de materia de gases de
combustión, reduciendo de ese modo la
contaminación en el aire. Los precipitadores son
especialmente
útiles
en
las
centrales
carboeléctricas y de operación con combustibles
fósiles y en operaciones industriales que generan
grandes cantidades de humo. Los sistemas
actuales son capaces de eliminar más del 90% de
la ceniza del humo.
abajo por el centro de un ducto y las paredes del
mismo (electrodos de placa), las cuales están
conectadas a tierra. El alambre se mantiene a un
potencial eléctrico negativo respecto de las
paredes, de modo que el campo eléctrico está
dirigido hacia el alambre.
La invención del precipitador electrostático se
debe al Dr. Frederick G. Cottrell de la Universidad
de California en Berkeley que en 1907 solicitó una
patente de un dispositivo análogo para cargar
partículas y después recolectarlas a través de la
atracción electrostática. 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.
El signo menos indica que el punto B está a un
potencial eléctrico que el punto A y las líneas de
campo eléctrico apuntan en la dirección en la que
el potencial eléctrico decrece más rápidamente,
lo cual en notación vectorial corresponde a la
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ecuación (2) .
Las apreciaciones anteriores surgen de la
definición de potencial eléctrico dada por la
ecuación (1).
B
∆V = − E ∫ ds = − Ed
A
E = −∇ V
El campo eléctrico cerca del alambre alcanza
valores suficientemente altos para producir una
descarga de corona alrededor del alambre. La
descarga se debe a que las moléculas de aire son
despojadas de sus electrones y se provoca la
ionización de las moléculas, formando iones
positivos, electrones e iones positivos como O2 .
El efecto físico de la descarga de corona es un
destello intenso que es provocado por la
recombinación de los electrones libres con las
moléculas de aire ionizadas, producto del
aumento de la capacidad conductora del aire.
Esta capacidad de conducción en un material
dieléctrico (o aislante) como el aire, está
modelada por la constante dieléctrica, que define
la tensión o voltaje de rotura eléctrica a la cual se
da el fenómeno de descarga. En el caso del aire,
6
dicha constante tiene un valor de k=1,00059 .
Figura 2. Diagrama esquemático de un precipitador
electrostático.
La figura 2 muestra un diagrama esquemático de
un precipitador electrostático. Se mantiene una
alta diferencia de potencial (por lo común de 40 a
100kV) entre el (los) alambre(s) que corren hacia
4
Revista Colombiana de Física.
El aire a ser limpiado ingresa al ducto y se mueve
cerca del alambre, Cuando los electrones y los
iones negativos creados por la descarga se
aceleran hacia la pared exterior por medio de un
campo eléctrico, las partículas de polvo en el aire
se cargan a partir de los choques y la captura de
iones. Puesto que la mayor parte de las partículas
de polvo cargadas son negativas, pueden ser
extraídas hacia la pared exterior mediante un
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Aplicaciones electrostáticas en sistemas de impresión de imágenes y
descontaminación.
campo eléctrico. Al sacudir el ducto de manera
periódica, las partículas se desprenden y se
colectan en el fondo.
Además de reducir el nivel de partículas de
materia en la atmósfera el precipitador
electrostático recupera materiales valiosos en
forma de óxidos metálicos.
Pueden presentarse fallas en el precipitador
usualmente por que la acumulación puede llegar
a ser bastante pesada como para bloquear la
circulación de aire, o puede ser bastante densa
como para ocasionar un corto circuito al permitir
que la corriente atraviese el aislamiento. (Esto
típicamente no daña la fuente de alimentación,
pero detiene efectivamente la precipitación
7
electrostática adicional) .
REFERENCIAS.
[1].http://www.fisicanet.com.ar/fisica/f3_elect
roestatica.php – Consultada: 22 de Mayo de
2010.
[2]. Ortíz M, Bautista E. Electromagnetismo –
Guías de laboratorio para estudiantes de
ingeniería y ciencias. Notas de clase. Universidad
Nacional de Colombia.1ª Ed. Pág. 71.
[3].http://www.madboxpc.com/guia-comoelegir-una-impresora/ - Consultada: 22 de Mayo
de 2010.
[4]. Serway; Beichner. Física para ciencias e
ingeniería. 5ª Ed. Tomo II. Ed. Mc. Graw Hill-2001.
[5]. Tipler P. A.; Mosca G. Física para la ciencia y
CONCLUSIONES.
•
•
•
•
La descripción de los fenómenos
electrostáticos es de gran aplicación no
sólo a nivel teórico, si no que es una
gran herramienta en procesos técnicos e
industriales
relevantes
como
la
impresión de imágenes y textos y la
descontaminación.
La aplicación práctica de la electrostática
comprende un amplio espectro de
dispositivos de uso común, de los cuales
han
sido
explicados
dos,
que
representan conceptos como la fuerza
electrostática entre superficies dada por
la contrariedad de signos en cargas o el
potencial asociado un campo eléctrico.
La búsqueda de formas de optimización
de los procesos representados con
anterioridad estará ligada siempre al
conocimiento y a la adecuada
compresión
de
los
conceptos
electrostáticos
intrínsecos a cada
procedimiento.
Con las apreciaciones anteriores se
verifica la importancia del estudio de la
física de la electricidad, que como se ha
visto es aplicable en procesos que van
desde aspectos ambientales a nivel
industrial hasta trabajos realizables
cotidianamente en el hogar y en el
trabajo.
5
Revista Colombiana de Física.
la tecnología. 5ª Ed. Volumen 2. Ed. Reverté S.A.
Barcelona. 2005
[6]. Resnick, H & K. Física
Sears, Z & Y. Física Universitaria.
Vol.
1
[7].http://es.wikipedia.org/wiki/Precipitadore
s_electrostáticos – Consultada 23 de Mayo de
2010.