INSTALACIÓN DE ALTA TENSIÓN DE TAMAÑO PEQUEÑO PARA LA INVESTIGACIÓN DEL HIDROXIAPATITO EN LA RUPTURA ELÉCTRICA

A.A. Bobylev, I.N. Antonov
Universidad Técnica Estatal de Saratov, nombrada en honor a Gagarin Yu.A.

Resumen. El artículo describe un experimento sobre la ruptura eléctrica del hidroxapatito. Los datos obtenidos permiten determinar el rango necesario de voltaje de salida. Basado en el rango obtenido, se propone un esquema eléctrico de una instalación de alta tensión de tamaño pequeño para la investigación de este material.

Palabras clave: ruptura dieléctrica, hidroxapatito, instalación de alta tensión.

La ruptura dieléctrica se refiere a un estado en el que un dieléctrico, al alcanzar cierta intensidad del campo eléctrico, pierde sus propiedades aislantes. Se forma un canal de conductividad en el dieléctrico. Como consecuencia de la ruptura, se genera una corriente de cortocircuito Iкз, que no depende de la naturaleza del dieléctrico, sino que se determina únicamente por la potencia de la fuente de voltaje y la resistencia del circuito externo. La corriente de cortocircuito lleva a la destrucción mecánica y térmica del dieléctrico sólido, resultando en un agujero perforado y fundido.

El hidroxapatito (HA) es un compuesto cuya fórmula química es similar a (Ca10(PO4)6(OH)2). Los grupos hidroxilo del hidroxapatito pueden ser reemplazados por fluoro o cloro, lo que lleva a la formación de fluoroapatito o cloroapatito. El hidroxapatito cristaliza en una sinconía hexagonal y tiene un peso específico de 3,08. El hidroxapatito puro es un polvo blanco, mientras que los apatitos naturales pueden presentar colores marrones, amarillos o verdes. En el cuerpo humano, el hidroxapatito es un componente clave de los dientes y huesos. Por lo tanto, se utiliza ampliamente como material de relleno para reemplazar huesos amputados o como recubrimiento para acelerar la unión de huesos y prótesis. Además, el hidroxapatito es no tóxico y biocompatible, lo que significa que no es reconocido como un material extraño por el cuerpo, y lo más importante, muestra propiedades biológicamente activas, integrándose en el tejido vivo de manera similar a los procesos de reconstrucción ósea natural. También es conocido por sus propiedades osteoconductivas, es decir, su capacidad para servir como matriz para la formación de nuevo tejido óseo.

La investigación de las propiedades dieléctricas del hidroxapatito se llevó a cabo de la siguiente manera. Se fabricaron tabletas especiales de diferentes grosores mediante la compresión del polvo de hidroxapatito.

Tabla 1. – Grosor de las muestras probadas
l1 2 mm
l2 4 mm
l3 6 mm
l4 8 mm

Figura 1. – Muestra de polvo comprimido de hidroxapatito

Estas tabletas fueron sometidas a pruebas de ruptura eléctrica utilizando la instalación de prueba AID-70. Las muestras se colocaron entre dos electrodos en un campo eléctrico no homogéneo de corriente continua (Figura 2).

Figura 2. – Diseño de los electrodos para generar un campo eléctrico no homogéneo:
1 – electrodos,
2 – soporte de electrodos de textolita,
3 – muestra de prueba

El voltaje se incrementó hasta que ocurrió la ruptura de la muestra. El voltaje de ruptura de cada muestra fue registrado. De esta manera, se obtuvo la dependencia del voltaje de ruptura con respecto al grosor de la muestra, como se muestra en la Figura 3.

Tabla 2. – Valores obtenidos durante el experimento
l Uпр
2 1,2
4 1,6
6 2
8 2,3

Figura 3. – Dependencia del voltaje de ruptura del grosor de la muestra

Figura 4. – Esquema eléctrico de la instalación

El circuito del dispositivo consiste en un convertidor de voltaje pulsado basado en el transistor VT1 y el transformador T1. El oscilador funciona a una frecuencia de 30 kHz. Después de convertir y rectificar el voltaje mediante los diodos VD4 y VD5, se obtiene un voltaje constante de hasta 2500 V en el condensador C4. El circuito se alimenta a partir de baterías tipo D-0,26, marcadas en el esquema como GB1 y GB2, y consume una corriente no superior a 100 mA. Los elementos del esquema destacados por línea discontinua forman un cargador sin transformador desde una red de 220 V. Se utiliza un cable con dos clavijas correspondientes para el modo de carga. El diodo LED HL1 (AL102A) indica la presencia de voltaje en la red, y el diodo VD3 (KD521A) impide la descarga de las baterías a través del circuito de carga cuando este no está conectado a la red. En el circuito se utilizan componentes como el transistor VT1 tipo KT829A, el puente de diodos KC407A, los diodos VD2 – KS168A, los diodos VD4 y VD5 – KD247J, el potenciómetro R5 – PPZ-40, los resistores MLT, los condensadores C1 tipo K73-17V a 400 V, C2 – K50-16 a 25 V, C3 – K10-17, C4 – MBM a 3000 V. No se recomienda utilizar condensadores de otros tipos para C4, ya que debe trabajar en un modo severo (descarga casi como un cortocircuito), lo que solo resisten estos tipos de condensadores.

Actualmente, se utilizan equipos e instalaciones que contienen unidades de gran tamaño, lo que hace que las instalaciones sean voluminosas. La instalación propuesta tiene ciertas ventajas sobre los modelos conocidos. Tiene un tamaño bastante compacto, lo que facilita su transporte, instalación y mantenimiento. Sin embargo, esta instalación presenta algunas desventajas, tales como un límite bajo en el voltaje de salida máximo y la imposibilidad de generar altos voltajes alternos e impulsivos.

Lista bibliográfica

1. Skanavi, G.I. Física de los dieléctricos / G.I. Skanavi. – Moscú: Editorial Física-Matemática, 1958. – 907 p.

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4. Vazhov, V.F. Técnica de altas tensiones / V.F. Vazhov. – Tomsk: Editorial TPU, 2008. – 79 p.

Información sobre los autores:

1. Bobylev Alexander Alexandrovich, estudiante del grupo m2ELET-11 del Instituto de Energía y Sistemas de Transporte de la Universidad Técnica Estatal de Saratov nombrada en honor a Gagarin Yu.A.

2. Antonov Igor Nikolaevich, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor del Departamento de "Suministro de Energía y Tecnología Eléctrica".