stringtranslate.com

Электрическая искра

Искра на свече зажигания
Молния является естественным примером электрической искры.

Электрическая искра — это резкий электрический разряд, который возникает, когда достаточно сильное электрическое поле создает ионизированный электропроводящий канал через нормально 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 состояния в проводящее вызывает кратковременное излучение света и резкий треск или щелкающий звук. Искра возникает, когда приложенное электрическое поле превышает прочность диэлектрического пробоя промежуточной среды. Для воздуха пробойная прочность составляет около 30 кВ/см на уровне моря. [2] Экспериментально эта цифра имеет тенденцию различаться в зависимости от влажности, атмосферного давления, формы электродов (игольчатые и заземляющие, полусферические и т. д.) и соответствующего расстояния между ними и даже типа формы сигнала, синусоидальной или косинус-прямоугольной. . На начальных этапах свободные электроны в зазоре (от космических лучей или фонового излучения ) ускоряются электрическим полем. Столкнувшись с молекулами воздуха, они создают дополнительные ионы и вновь освобожденные электроны, которые также ускоряются. В какой-то момент тепловая энергия станет гораздо более мощным источником ионов. Экспоненциально увеличивающиеся электроны и ионы быстро приводят к тому, что области воздуха в зазоре становятся электропроводными в процессе, называемом диэлектрическим пробой . После разрыва зазора поток тока ограничивается имеющимся зарядом (для электростатического разряда ) или сопротивлением внешнего источника питания . Если источник питания продолжает подавать ток, искра превратится в непрерывный разряд, называемый электрической дугой . Электрическая искра также может возникать в изолирующих жидкостях или твердых телах, но с механизмом пробоя, отличным от искр в газах.

Иногда искры могут быть опасны. Они могут вызвать пожар и ожог кожи.

Молния является примером электрической искры в природе, тогда как электрические искры, большие или маленькие, возникают внутри или вблизи многих искусственных объектов, как по замыслу, так и иногда случайно.

История

Бенджамин Франклин поднес к пальцу электрическую искру от 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 на основании эксперимента, предложенного Бенджамином Франклином , организовал для отставного французского драгуна по имени Койффье в деревне Марли сбор молний в лейденской банке [5] тем самым доказав, что молния и электричество являются одинаковый. В знаменитом эксперименте Франклина с воздушным змеем он успешно извлекал искры из облака во время грозы.

Использование

Горелка газовой плиты - слева показан электроискровой пламенный воспламенитель.
Искровой передатчик использовался для связи между судном и берегом на расстоянии до 10 км ( ок.  1900 г. )».

Источники возгорания

Электрические искры используются в свечах зажигания бензиновых двигателей 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 обеспечивает катушка зажигания или магнето , соединенное со свечой зажигания изолированным проводом.

В некоторых печах и газовых плитах воспламенители пламени используют электрические искры вместо запального пламени . [7] Автоматическое повторное зажигание — это функция безопасности, которая используется в некоторых воспламенителях пламени и определяет электропроводность пламени и использует эту информацию для определения того, горит ли пламя горелки. [8] Эта информация используется для предотвращения искрообразования в запальном устройстве после зажжения пламени или для возобновления пламени, если оно погаснет.

Радиосвязь

Передатчик с искровым разрядником использует электрический разрядник для генерации радиочастотного электромагнитного излучения , которое можно использовать в качестве передатчиков для беспроводной связи. [9] Передатчики с искровым разрядником широко использовались в первые три десятилетия радио, с 1887 по 1916 год. Позже они были вытеснены системами электронных ламп и к 1940 году больше не использовались для связи. Широкое использование искровых передатчиков привело к тому, что корабельный радист получил прозвище «искры».

Металлообработка

Электрические искры применяются в различных видах металлообработки . Электроэрозионная обработка (EDM) иногда называется искровой обработкой и использует искровой разряд для удаления материала с заготовки. [10] Электроэрозионная обработка используется для твердых металлов или металлов, которые трудно обрабатывать традиционными методами.

Искрово-плазменное спекание (SPS) — это метод спекания , в котором используется импульсный постоянный ток , который проходит через проводящий порошок в графитовой матрице. [11] SPS быстрее, чем обычное горячее изостатическое прессование , при котором тепло обеспечивается внешними нагревательными элементами .

Химический анализ

Свет, создаваемый электрическими искрами, можно собрать и использовать для спектроскопии, называемой искровой эмиссионной спектроскопией . [12]

Импульсный лазер высокой энергии можно использовать для создания электрической искры. Спектроскопия лазерного пробоя (LIBS) — это тип атомно-эмиссионной спектроскопии , в котором для возбуждения атомов в образце используется лазер с высокой энергией импульса . LIBS также называют лазерной искровой спектроскопией (LSS). [13]

Электрические искры также можно использовать для создания ионов для масс-спектрометрии . [14] Искровой разряд также применялся в электрохимическом зондировании посредством модификации поверхности одноразовых углеродных электродов с трафаретной печатью (SPE) на месте с использованием различных источников металлов и углерода. [15] [16] [17] [18] [19]

Опасности

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

Искры могут быть опасны для людей, животных и даже неодушевленных предметов. Электрические искры могут воспламенить легковоспламеняющиеся материалы, жидкости, газы и пары. Даже непреднамеренных статических разрядов или небольших искр, возникающих при включении освещения или других цепей, может быть достаточно, чтобы воспламенить легковоспламеняющиеся пары из таких источников, как бензин, ацетон, пропан, или концентрации пыли в воздухе, например, на мукомольных заводах или в более общем смысле на заводах, работающих с порошками. [20] [21]

Искры часто указывают на наличие высокого напряжения или «потенциального поля». Чем выше напряжение; тем дальше искра может перескочить через зазор, и при достаточной подаче энергии может привести к более сильным разрядам, таким как свечение или дуга . Когда человек заряжен статическим зарядом высокого напряжения или находится рядом с высоковольтным источником питания, между проводником и человеком, находящимся достаточно близко, может проскочить искра, что приведет к высвобождению гораздо более высоких энергий, которые может вызвать сильные ожоги, привести к остановке работы сердца и внутренних органов или даже перерасти в вспышку дуги .

Искры высокого напряжения, даже с низкой энергией, например, от электрошокера , могут перегрузить проводящие пути нервной системы, вызывая непроизвольные сокращения мышц, или нарушить жизненно важные функции нервной системы, такие как сердечный ритм. Когда энергия достаточно мала, большую часть ее можно использовать только для нагрева воздуха, поэтому искра никогда полностью не стабилизируется в свечение или дугу. Однако искры с очень низкой энергией по-прежнему создают в воздухе «плазменный туннель», через который может проходить электричество. Эта плазма нагревается до температур, часто превышающих температуру поверхности Солнца, и может вызвать небольшие локализованные ожоги. При наложении электродов на тело человека часто используются проводящие жидкости, гели или мази, предотвращающие образование искр в месте контакта и повреждение кожи. Точно так же искры могут вызвать повреждение металлов и других проводников, вызывая абляцию или образование ямок на поверхности; явление, которое используется при электрическом травлении . Искры также производят озон , который в достаточно высоких концентрациях может вызвать респираторный дискомфорт или расстройство, зуд или повреждение тканей, а также может быть вредным для других материалов, таких как некоторые пластмассы. [22] [23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фарадей, Экспериментальные исследования в области электричества , том 1, параграф 69.
  2. ^ Мик, Дж. (1940). «Теория искрового разряда». Физический обзор . 57 (8): 722–728. Бибкод : 1940PhRv...57..722M. doi : 10.1103/PhysRev.57.722.
  3. ^ Крыжановский, Л.Н. (1989). «Картирование истории электричества». Наукометрия . 17 (1–2): 165–170. дои : 10.1007/BF02017730. S2CID  10668311.
  4. ^ Хейлброн, JL; Хейлборн, JL (1979). Электричество в 17 и 18 веках: исследование ранней современной физики . Беркли: Издательство Калифорнийского университета . ISBN 978-0-520-03478-5.
  5. ^ Майкл Брайан Шиффер, Нарисуйте молнию: Бенджамин Франклин и электрические технологии в эпоху Просвещения. Издательство Калифорнийского университета, стр. 164.
  6. ^ Дэй, Джон (1975). Книга Боша «Автомобиль, его эволюция и инженерное развитие» . Пресса Святого Мартина. стр. 206–207. LCCN  75-39516. ОСЛК  2175044.
  7. ^ Билл Уитмен; Билл Джонсон; Джон Томчик (2004). Технологии охлаждения и кондиционирования воздуха, 5Е . 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 микроволновой печи, тефлоновой сковороде, вывозе мусора и многом другом . Чикаго, Иллинойс: Chicago Review Press . п. 116. ИСБН 978-1-56976-281-3.
  9. ^ Бошан, КГ (2001). История телеграфии . Лондон: Институт инженеров-электриков. ISBN 978-0-85296-792-8.
  10. ^ Джеймсон, Элман К. (2001). Электроэрозионная обработка . Дирборн, Мичиган: Общество инженеров-технологов. ISBN 978-0-87263-521-0.
  11. ^ Мунир, З.А.; Ансельми-Тамбурини, У.; Охьянаги, М. (2006). «Влияние электрического поля и давления на синтез и консолидацию материалов: обзор метода искрового плазменного спекания». Журнал материаловедения . 41 (3): 763. Бибкод : 2006JMatS..41..763M. дои : 10.1007/s10853-006-6555-2. S2CID  73570418.
  12. ^ Уолтерс, JP (1969). «Исторические достижения в области искровой эмиссионной спектроскопии». Прикладная спектроскопия . 23 (4): 317–331. Бибкод : 1969ApSpe..23..317W. дои : 10.1366/000370269774380662. S2CID  96919495.
  13. ^ Радземский, Леон Дж.; Кремерс, Дэвид А. (2006). Справочник по спектроскопии лазерного пробоя . Нью-Йорк: Джон Уайли. ISBN 978-0-470-09299-6.
  14. ^ Демпстер, AJ (1936). «Источники ионов для масс-спектроскопии». Обзор научных инструментов . 7 (1): 46–49. Бибкод : 1936RScI....7...46D. дои : 10.1063/1.1752028.
  15. ^ Трахиоти, Мария Г.; Хрбац, Ян; Продромидис, Мамас И. (май 2018 г.). «Определение Cd и Zn с помощью «зеленых» трафаретных электродов, модифицированных мгновенно приготовленными искровыми наночастицами олова». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 260 : 1076–1083. дои :10.1016/j.snb.2017.10.039.
  16. ^ Трахиоти, Мария Г.; Карантзалис, Александрос Э.; Хрбац, Ян; Продромидис, Мамас И. (февраль 2019 г.). «Недорогие датчики с трафаретной печатью по запросу: мгновенно приготовленные искровые наночастицы золота из эвтектического сплава Au / Si для определения мышьяка на уровне менее миллиарда». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 281 : 273–280. дои :10.1016/j.snb.2018.10.112. S2CID  106204477.
  17. ^ Трахиоти, Мария Г.; Цзянни, Элени И.; Риман, Дэниел; Юрманова Яна; Продромидис, Мамас И.; Грбац, Ян (май 2019 г.). «Расширенное покрытие графитовых электродов с трафаретной печатью искровым разрядом позволило получить наночастицы золота с помощью устройства трехмерного позиционирования. Оценка характеристик искрового напряжения и времени для разработки датчиков с улучшенными электрокаталитическими свойствами». Электрохимика Акта . 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.). «Получение графитовых наноматериалов из грифелей карандашей с помощью 3D-позиционирующего искрового устройства: применение к вольтамперометрическому определению нитроароматических взрывчатых веществ». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 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-2-дезоксигуанозина в моче с помощью «линейного» режима искровых графитовых электродов с трафаретной печатью». Электрохимика Акта . 399 : 139371. doi : 10.1016/j.electacta.2021.139371. ISSN  0013-4686. S2CID  240654358.
  20. ^ Введение в физику Джеймса Шипмана, Джерри Д. Уилсона, Чарльза А. Хиггинса, Омара Торреса - Cengage Learning, 2016, стр. 202
  21. ^ Опасность электростатического взрыва пыли https://powderprocess.net/Safety/Electrostatics_Risks_ATEX_DSEAR.html. Архивировано 7 февраля 2019 г. на Wayback Machine.
  22. ^ Управление опасной энергией: деактивация, обесточивание, изоляция и блокировка Томас Нил Макманус - CRC Press 2013, стр. 79-80, 95-96, 231, 346, 778, 780
  23. ^ Электростатические опасности , Гюнтер Люттгенс, Норман Уилсон - Reed Professional and Educational Publishing Ltd., 1997 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с электрическими искрами .