Искровой разрядник состоит из двух проводящих электродов, разделенных зазором, обычно заполненным газом, например воздухом , предназначенным для того, чтобы позволить электрической искре проходить между проводниками. Когда разность потенциалов между проводниками превышает напряжение пробоя газа внутри зазора, образуется искра , ионизирующая газ и резко снижающая его электрическое сопротивление . Затем электрический ток течет до тех пор, пока путь ионизированного газа не будет разорван или ток не уменьшится ниже минимального значения, называемого «током удержания». Обычно это происходит, когда напряжение падает , но в некоторых случаях происходит, когда нагретый газ поднимается, растягиваясь и затем разрывая нить ионизированного газа. Обычно действие ионизации газа является сильным и разрушительным, часто приводя к звуку (от щелчка для свечи зажигания до грома для разряда молнии ), свету и теплу .
Искровые разрядники исторически использовались в раннем электрическом оборудовании, таком как радиопередатчики с искровым разрядником , электростатические машины и рентгеновские аппараты . Их наиболее распространенное применение сегодня — в свечах зажигания для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания , но они также используются в молниеотводах и других устройствах для защиты электрооборудования от высоковольтных переходных процессов.
Для воздуха пробивная сила составляет около 30 кВ/см на уровне моря. [1]
Свет, излучаемый искрой, исходит не от самого тока электронов , а от материальной среды , флуоресцирующей в ответ на столкновения электронов. Когда электроны сталкиваются с молекулами воздуха в зазоре, они возбуждают свои орбитальные электроны до более высоких энергетических уровней . Когда эти возбужденные электроны возвращаются на свои исходные энергетические уровни, они излучают энергию в виде света. Видимая искра не может образоваться в вакууме . Без вмешательства материи, способной к электромагнитным переходам, искра будет невидимой (см. вакуумная дуга ).
Искровые разрядники необходимы для функционирования ряда электронных устройств.
Свеча зажигания использует искровой промежуток для инициирования горения . Тепло ионизационного следа, но что еще важнее, УФ-излучение и горячие свободные электроны (оба вызывают образование реактивных свободных радикалов) [ требуется цитата ] воспламеняют топливно-воздушную смесь внутри двигателя внутреннего сгорания или горелки в печи, духовке или плите. Чем больше УФ-излучения производится и успешно распространяется в камере сгорания, тем дальше протекает процесс горения. [ требуется цитата ]
Смесь водорода и кислорода в основном двигателе космического челнока воспламенялась с помощью искрового воспламенителя. [2]
Искровые разрядники часто используются для предотвращения повреждения оборудования скачками напряжения . Искровые разрядники используются в высоковольтных переключателях , больших силовых трансформаторах , на электростанциях и электрических подстанциях . Такие переключатели сконструированы с большим дистанционно управляемым переключающим лезвием с шарниром в качестве одного контакта и двумя пластинчатыми пружинами, удерживающими другой конец в качестве второго контакта. Если лезвие открыто, искра может поддерживать соединение между лезвием и пружиной проводящим. Искра ионизирует воздух, который становится проводящим и позволяет образовываться дуге, которая поддерживает ионизацию и, следовательно, проводимость. Лестница Иакова наверху переключателя заставит дугу подняться и в конечном итоге погаснуть. Можно также найти небольшие лестницы Иакова, установленные наверху керамических изоляторов высоковольтных опор. Иногда их называют роговыми разрядниками. Если искре когда-либо удастся перепрыгнуть через изолятор и вызвать дугу, она погаснет.
Меньшие искровые промежутки часто используются для защиты чувствительного электрического или электронного оборудования от скачков напряжения . В сложных версиях этих устройств (называемых газоразрядниками) [3] небольшой искровой промежуток прорывается во время аномального скачка напряжения, безопасно шунтируя скачок на землю и тем самым защищая оборудование. Эти устройства обычно используются для телефонных линий, когда они входят в здание; искровые промежутки помогают защитить здание и внутренние телефонные цепи от последствий ударов молнии . Менее сложные (и гораздо менее дорогие) искровые промежутки изготавливаются с использованием модифицированных керамических конденсаторов ; в этих устройствах искровой промежуток представляет собой просто воздушный зазор, распиленный между двумя подводящими проводами, которые соединяют конденсатор с цепью. Скачок напряжения вызывает искру, которая перескакивает с подводящего провода на подводящий провод через зазор, оставленный процессом распиливания. Эти недорогие устройства часто используются для предотвращения разрушительных дуг между элементами электронной пушки(ей) внутри электронно -лучевой трубки (ЭЛТ). [ необходима цитата ]
Маленькие искровые промежутки очень распространены в телефонных коммутаторах , поскольку длинные телефонные кабели очень восприимчивы к индуцированным скачкам напряжения от ударов молнии . Большие искровые промежутки используются для защиты линий электропередач .
Искровые разрядники иногда реализуются на печатных платах в электронных продуктах с использованием двух близко расположенных открытых дорожек печатной платы. Это фактически нулевой метод добавления грубой защиты от перенапряжения в электронные продукты. [4]
Трансилы и трисилы являются твердотельными альтернативами искровым разрядникам для маломощных приложений. Неоновые лампы также используются для этой цели.
Управляемый искровой разрядник в воздушной вспышке используется для создания фотографических вспышек света в субмикросекундном диапазоне.
Искра излучает энергию по всему электромагнитному спектру . В настоящее время это обычно рассматривается как незаконные радиочастотные помехи и подавляется, но на заре радиосвязи (1880–1920 гг.) это было средством передачи радиосигналов в немодулированном передатчике с искровым разрядником . Многие радиоразрядники включают в себя охлаждающие устройства, такие как вращающийся разрядник и радиаторы , поскольку разрядник становится довольно горячим при непрерывном использовании на высокой мощности.
Калиброванный сферический искровой промежуток будет пробивать высокоповторяющееся напряжение, если скорректировать давление воздуха, влажность и температуру. Зазор между двумя сферами может обеспечить измерение напряжения без какой-либо электроники или делителей напряжения с точностью около 3%. Искровой промежуток может использоваться для измерения высокого напряжения переменного тока, постоянного тока или импульсов, но для очень коротких импульсов источник ультрафиолетового света или радиоактивный источник может быть помещен на один из выводов, чтобы обеспечить источник электронов. [5]
Искровые разрядники могут использоваться в качестве электрических переключателей, поскольку они имеют два состояния со значительно отличающимся электрическим сопротивлением. Сопротивление между электродами может достигать 10 12 Ом , когда электроды разделены газом или вакуумом, что означает, что ток течет слабо, даже когда между электродами существует высокое напряжение. Сопротивление падает до 10 -3 Ом, когда электроды соединены плазмой, что означает, что рассеиваемая мощность мала даже при высоком токе. Это сочетание свойств привело к использованию искровых разрядников в качестве электрических переключателей в импульсных силовых приложениях, где энергия хранится при высоком напряжении в конденсаторе , а затем разряжается при высоком токе. Примерами являются импульсные лазеры , рельсотроны , генераторы Маркса , термоядерный синтез , исследования сверхсильного импульсного магнитного поля и запуск ядерной бомбы .
Когда искровой промежуток состоит только из двух электродов, разделенных газом, переход между непроводящим и проводящим состояниями регулируется законом Пашена . При типичных комбинациях давления и расстояния между электродами закон Пашена гласит, что разряд Таунсенда будет заполнять зазор между электродами проводящей плазмой всякий раз, когда отношение напряженности электрического поля к давлению превышает постоянное значение, определяемое составом газа. Скорость, с которой может быть уменьшено давление, ограничена дросселируемым потоком , в то время как увеличение электрического поля в цепи разряда конденсатора ограничено емкостью в цепи и током, доступным для зарядки емкости . Эти ограничения на скорость, с которой может быть инициирован разряд, означают, что искровые промежутки с двумя электродами обычно имеют высокий джиттер . [6]
Управляемые искровые разрядники — это класс устройств с некоторыми дополнительными средствами запуска для достижения низкого джиттера. Чаще всего это третий электрод, как в тригатроне . Напряжение на управляемом электроде можно быстро изменить, поскольку емкость между ним и другими электродами мала. В управляемом искровом разряднике давление газа оптимизировано для минимизации джиттера, а также для избежания непреднамеренного запуска. Управляемые искровые разрядники изготавливаются в постоянно герметичных версиях с ограниченным диапазоном напряжения и в версиях с пользовательским давлением, в которых диапазон напряжения пропорционален доступному диапазону давления. Управляемые искровые разрядники имеют много общего с другими газонаполненными трубками, такими как тиратроны , критроны , игнитроны и кроссатроны .
Управляемые вакуумные разрядники, или спритроны , напоминают управляемые искровые разрядники как по внешнему виду, так и по конструкции, но основаны на другом принципе работы. Управляемый вакуумный разрядник состоит из трех электродов в герметичной стеклянной или керамической оболочке, из которой откачан воздух. Это означает, что, в отличие от управляемого искрового разрядника, управляемый вакуумный разрядник работает в пространстве параметров слева от минимума Пашена, где пробой стимулируется увеличением давления. Ток между электродами ограничен малым значением полевой эмиссии в непроводящем состоянии. Пробой инициируется быстрым испарением материала с управляющего электрода или соседнего резистивного покрытия. После возникновения вакуумной дуги управляемый вакуумный разрядник заполняется проводящей плазмой, как и любой другой искровой разрядник. Управляемый вакуумный разрядник имеет больший диапазон рабочего напряжения, чем герметичный управляемый искровой разрядник, поскольку кривые Пашена намного круче слева от минимума Пашена, чем при более высоких давлениях. Управляемые вакуумные зазоры также являются радиационно-стойкими , поскольку в непроводящем состоянии они не содержат никакого газа, который мог бы быть ионизирован излучением . [7]
Они также используются в качестве убийц насекомых. Два электрода выполнены в виде металлических решеток, расположенных немного дальше друг от друга, чем требуется для скачка напряжения. Когда насекомое пробирается между электродами, расстояние между ними сокращается из-за того, что тело насекомого является проводящим, и возникает искровой разряд, который убивает и сжигает насекомое.
В этом случае механизм искрового разрядника часто применяется в сочетании с приманкой, например, светом, для привлечения насекомых в искровой разрядник.
Видео Лестницы Иакова: