stringtranslate.com

Электрическая искра

Искра на свече зажигания
Молния — естественный пример электрической искры.

Электрическая искра — это резкий электрический разряд, который происходит, когда достаточно сильное электрическое поле создает ионизированный , электропроводящий канал через обычно изолирующую среду, часто воздух или другие газы или газовые смеси. Майкл Фарадей описал это явление как «прекрасную вспышку света, сопровождающую разряд обычного электричества». [1]

Быстрый переход из непроводящего в проводящее состояние производит кратковременное излучение света и резкий треск или щелчок. Искра создается, когда приложенное электрическое поле превышает диэлектрическую прочность пробоя промежуточной среды. Для воздуха пробивная прочность составляет около 30 кВ/см на уровне моря. [2] Экспериментально эта цифра имеет тенденцию различаться в зависимости от влажности, атмосферного давления, формы электродов (игольчатая и заземляющая плоскость, полусферическая и т. д.) и соответствующего расстояния между ними и даже типа формы волны, будь то синусоидальная или косинусно-прямоугольная.

На начальных стадиях свободные электроны в зазоре (от космических лучей или фонового излучения ) ускоряются электрическим полем, что приводит к лавине Таунсенда . Когда они сталкиваются с молекулами воздуха, они создают дополнительные ионы и вновь освобожденные электроны, которые также ускоряются. В какой-то момент тепловая энергия обеспечит гораздо больший источник ионов. Экспоненциально увеличивающиеся электроны и ионы быстро заставляют области воздуха в зазоре становиться электропроводящими в процессе, называемом пробоем диэлектрика . После того, как зазор пробивает, ток ограничивается доступным зарядом (для электростатического разряда ) или сопротивлением внешнего источника питания . Если источник питания продолжает подавать ток, искра перейдет в непрерывный разряд, называемый электрической дугой . Электрическая искра также может возникать внутри изолирующих жидкостей или твердых тел, но с другими механизмами пробоя, чем искры в газах.

Иногда искры могут быть опасны. Они могут стать причиной пожаров и ожогов кожи.

Молния является примером электрической искры в природе, в то время как электрические искры, большие или малые, возникают внутри или вблизи многих созданных человеком объектов как намеренно, так и иногда случайно.

История

Бенджамин Франклин высек на своем пальце электрическую искру с помощью ключа, подвешенного на веревке воздушного змея.

В 1671 году Лейбниц обнаружил, что искры связаны с электрическими явлениями. [3] В 1708 году Сэмюэл Уолл провел эксперименты с янтарем , натертым тканью, чтобы получить искры. [4] В 1752 году Тома-Франсуа Далибар , действуя по эксперименту, предложенному Бенджамином Франклином , организовал для отставного французского драгуна по имени Куаффье в деревне Марли сбор молний в лейденскую банку [5], тем самым доказав, что молния и электричество — это одно и то же. В знаменитом эксперименте Франклина с воздушным змеем он успешно извлек искры из облака во время грозы.

Использует

Газовая горелка - слева показан электрический искровой запальник.
Искровой передатчик, использовавшийся для связи между судном и берегом на расстоянии до 10 км ( ок.  1900 г. )».

Источники возгорания

Электрические искры используются в свечах зажигания в бензиновых двигателях внутреннего сгорания для воспламенения топливно-воздушных смесей. [6] Электрический разряд в свече зажигания происходит между изолированным центральным электродом и заземленной клеммой на основании свечи. Напряжение для искры обеспечивается катушкой зажигания или магнето , которое подключено к свече зажигания изолированным проводом.

Пламенные воспламенители используют электрические искры для инициирования горения в некоторых печах и газовых плитах вместо пилотного пламени . [7] Автоматическое повторное зажигание — это функция безопасности, которая используется в некоторых пламенных воспламенителях, которая определяет электропроводность пламени и использует эту информацию для определения того, горит ли пламя горелки. [8] Эта информация используется для того, чтобы устройство зажигания не искрило после того, как пламя зажглось, или чтобы снова зажечь пламя, если оно погасло.

Радиосвязь

Передатчик с искровым разрядником использует электрический искровой разрядник для генерации радиочастотного электромагнитного излучения , которое может использоваться в качестве передатчиков для беспроводной связи. [9] Передатчики с искровым разрядником широко использовались в первые три десятилетия радио с 1887 по 1916 год. Позднее они были вытеснены системами с электронными лампами и к 1940 году больше не использовались для связи. Широкое использование передатчиков с искровым разрядником привело к прозвищу «искры» для корабельного радиста.

Металлообработка

Электрические искры используются в различных видах металлообработки . Электроэрозионная обработка (ЭЭО) иногда называется электроискровой обработкой и использует искровой разряд для удаления материала с заготовки. [10] Электроэрозионная обработка используется для твердых металлов или тех, которые трудно поддаются обработке традиционными методами.

Искровое плазменное спекание (ИПС) — это метод спекания , при котором используется импульсный постоянный ток , проходящий через проводящий порошок в графитовой пресс-форме. [11] ИПС быстрее, чем обычное горячее изостатическое прессование , при котором тепло обеспечивается внешними нагревательными элементами .

Химический анализ

Свет, который создается электрическими искрами, можно собрать и использовать для определенного типа спектроскопии, называемой искровой эмиссионной спектроскопией . [12]

Для создания электрической искры можно использовать высокоэнергетический импульсный лазер. Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя (LIBS) — это тип атомно-эмиссионной спектроскопии , которая использует высокоэнергетический импульсный лазер для возбуждения атомов в образце. LIBS также называют лазерно-искровой спектроскопией (LSS). [13]

Электрические искры также могут использоваться для создания ионов для масс-спектрометрии . [14] Искровой разряд также применялся в электрохимическом зондировании посредством модификации поверхности на месте одноразовых трафаретных углеродных электродов (SPE) с различными источниками металлов и углерода. [15] [16] [17] [18] [19]

Опасности

Электрическая искра, создаваемая электрошокером. При напряжении 150 000 вольт искра может легко пробить зазор более 25 мм (1 дюйм).

Искры могут быть опасны для людей, животных или даже неодушевленных предметов. Электрические искры могут воспламенить горючие материалы, жидкости, газы и пары. Даже непреднамеренные статические разряды или небольшие искры, возникающие при включении света или других цепей, могут быть достаточными для воспламенения горючих паров из таких источников, как бензин, ацетон, пропан или концентрации пыли в воздухе, например, тех, что встречаются на мукомольных заводах или, в более общем плане, на фабриках, работающих с порошками. [20] [21]

Искры часто указывают на наличие высокого напряжения или «потенциального поля». Чем выше напряжение, тем дальше искра может проскочить через зазор, и при достаточной подаче энергии может привести к более сильным разрядам, таким как свечение или дуга . Когда человек заряжается высоковольтными статическими зарядами или находится в присутствии высоковольтных источников электропитания, искра может проскакивать между проводником и человеком, который находится достаточно близко, позволяя высвободить гораздо более высокую энергию, которая может вызвать серьезные ожоги, остановить работу сердца и внутренних органов или даже развиться во вспышку дуги .

Высоковольтные искры, даже с низкой энергией, такие как от электрошокера , могут перегружать проводящие пути нервной системы, вызывая непроизвольные сокращения мышц или нарушая жизненно важные функции нервной системы, такие как сердечный ритм. Когда энергия достаточно низкая, большая ее часть может использоваться только для нагрева воздуха, поэтому искра никогда полностью не стабилизируется в свечение или дугу. Однако искры с очень низкой энергией все равно создают «плазменный туннель» в воздухе, через который может проходить электричество. Эта плазма нагревается до температур, часто превышающих температуру поверхности Солнца, и может вызывать небольшие локальные ожоги. Проводящие жидкости, гели или мази часто используются при нанесении электродов на тело человека, предотвращая образование искр в точке контакта и повреждение кожи. Аналогичным образом искры могут вызывать повреждение металлов и других проводников, разрушая или изъедая поверхность; явление, которое используется в электрическом травлении . Искры также производят озон , который в достаточно высоких концентрациях может вызвать респираторный дискомфорт или недомогание, зуд или повреждение тканей, а также может быть вредным для других материалов, таких как некоторые виды пластика. [22] [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству , том 1, параграф 69.
  2. ^ Meek, J. (1940). «Теория искрового разряда». Physical Review . 57 (8): 722–728. Bibcode : 1940PhRv...57..722M. doi : 10.1103/PhysRev.57.722.
  3. ^ Крыжановский, Л. Н. (1989). «Картографирование истории электричества». Наукометрия . 17 (1–2): 165–170. doi :10.1007/BF02017730. S2CID  10668311.
  4. ^ Heilbron, JL; Heilborn, JL (1979). Электричество в 17-м и 18-м веках: исследование ранней современной физики . Беркли: Издательство Калифорнийского университета . ISBN 978-0-520-03478-5.
  5. ^ Майкл Брайан Шиффер, «Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment». Издательство Калифорнийского университета, стр. 164.
  6. ^ Дэй, Джон (1975). Книга Боша об автомобиле, его эволюции и инженерном развитии . St. Martin's Press. С. 206–207. LCCN  75-39516. OCLC  2175044.
  7. ^ Билл Уитмен; Билл Джонсон; Джон Томчик (2004). Холодильная техника и технологии кондиционирования воздуха, 5E . Клифтон Парк, Нью-Йорк: Thomson Delmar Learning . стр. 677 и далее. ISBN 978-1-4018-3765-5.
  8. ^ Эд Соби (2010). Как работают кухни: наука о микроволновке, тефлоновой сковороде, утилизации мусора и многом другом . Чикаго, Иллинойс: Chicago Review Press . стр. 116. ISBN 978-1-56976-281-3.
  9. ^ Beauchamp, KG (2001). История телеграфии . Лондон: Институт инженеров-электриков. ISBN 978-0-85296-792-8.
  10. ^ Джеймсон, Элман С. (2001). Электроэрозионная обработка . Дирборн, Мичиган: Общество инженеров-технологов. ISBN 978-0-87263-521-0.
  11. ^ Мунир, ZA; Ансельми-Тамбурини, U.; Охьянаги, M. (2006). «Влияние электрического поля и давления на синтез и консолидацию материалов: обзор метода искрового плазменного спекания». Журнал материаловедения . 41 (3): 763. Bibcode : 2006JMatS..41..763M. doi : 10.1007/s10853-006-6555-2. S2CID  73570418.
  12. ^ Уолтерс, Дж. П. (1969). «Исторические достижения в области искровой эмиссионной спектроскопии». Прикладная спектроскопия . 23 (4): 317–331. Bibcode : 1969ApSpe..23..317W. doi : 10.1366/000370269774380662. S2CID  96919495.
  13. ^ Радземски, Леон Дж.; Кремерс, Дэвид А. (2006). Справочник по лазерно-индуцированной спектроскопии разрушения . Нью-Йорк: John Wiley. ISBN 978-0-470-09299-6.
  14. ^ Демпстер, А. Дж. (1936). «Источники ионов для масс-спектроскопии». Обзор научных приборов . 7 (1): 46–49. Bibcode : 1936RScI....7...46D. doi : 10.1063/1.1752028.
  15. ^ Трахиоти, Мария Г.; Хрбац, Ян; Продромидис, Мамас И. (май 2018 г.). «Определение Cd и Zn с помощью «зеленых» экранированных электродов, модифицированных мгновенно приготовленными искровыми наночастицами олова». Датчики и приводы B: Химические . 260 : 1076–1083. doi :10.1016/j.snb.2017.10.039.
  16. ^ Трахиоти, Мария Г.; Карантзалис, Александрос Э.; Хрбац, Ян; Продромидис, Мамас И. (февраль 2019 г.). «Недорогие сенсоры с трафаретной печатью по запросу: мгновенно приготовленные искровые золотые наночастицы из эвтектического сплава Au/Si для определения мышьяка на уровне менее ppb». Датчики и приводы B: Химия . 281 : 273–280. doi :10.1016/j.snb.2018.10.112. S2CID  106204477.
  17. ^ Трахиоти, Мария Г.; Цианни, Элени И.; Риман, Даниэль; Юрманова, Яна; Продромидис, Мамас И.; Хрбац, Ян (май 2019 г.). «Расширенное покрытие графитовых электродов с трафаретной печатью с помощью искрового разряда, полученного с помощью наночастиц золота с помощью устройства трехмерного позиционирования. Оценка характеристик искрообразования — времени для разработки датчиков с улучшенными электрокаталитическими свойствами». Electrochimica Acta . 304 : 292–300. doi :10.1016/j.electacta.2019.03.004. S2CID  104377649.
  18. ^ Трахиоти, Мария Г.; Хемзал, Душан; Хрбац, Ян; Продромидис, Мамас И. (май 2020 г.). «Генерация графитовых наноматериалов из стержней карандашей с помощью трехмерного позиционирующего искрового устройства: применение для вольтамперометрического определения нитроароматических взрывчатых веществ». Датчики и приводы B: Химия . 310 : 127871. doi : 10.1016/j.snb.2020.127871. S2CID  213989070.
  19. ^ Трахиоти, Мария Г.; Хрбац, Ян; Продромидис, Мамас И. (октябрь 2021 г.). «Определение 8-гидрокси-2ˊ-дезоксигуанозина в моче с помощью «линейного» режима искровых графитовых экранных электродов». Electrochimica Acta . 399 : 139371. doi : 10.1016/j.electacta.2021.139371. ISSN  0013-4686. S2CID  240654358.
  20. ^ Введение в физическую науку Джеймса Шипмана, Джерри Д. Уилсона, Чарльза А. Хиггинса, Омара Торреса -- Cengage Learning 2016 Страница 202
  21. ^ Взрыв пыли электростатические опасности https://powderprocess.net/Safety/Electrostatics_Risks_ATEX_DSEAR.html Архивировано 07.02.2019 на Wayback Machine
  22. ^ Управление опасной энергией: дезактивация, обесточивание, изоляция и блокировка Томас Нил Макманус -- CRC Press 2013 Страница 79--80, 95--96, 231, 346, 778, 780
  23. ^ Электростатические опасности Гюнтера Люттгенса, Нормана Уилсона — Reed Professional and Educational Publishing Ltd. 1997

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Электрические искры» .