Кіріспе
Электрлік ұшқын – иондалған, электр өткізгіштік арнаның, әдеттегі оқшаулағыш орта арқылы, көбінесе ауа немесе басқа газдар немесе газ қоспалары арқылы, жеткілікті жоғары электр өрісінің әсерінен пайда болатын кенетті электрлік разряд. Майкл Фарадей осы құбылысты "жалпы электр тогының разрядталған кездегі жарқырауының әдемі жарығы" деп сипаттаған. Өткізбейтін күйден өткізгіш күйге жылдам өту қысқа мерзімге жарық шығаруға және өткір сызылыс немесе жарылыс дыбысына әкеледі. Электр өрісі аралық ортаның диэлектрлік түзілу шегінен асып кеткенде ұшқын пайда болады. Теңіз деңгейінде ауаның түзілу шегі шамамен 30 кВ/см құрайды. Эксперименттік жағдайда, бұл көрсеткіш ылғалдылыққа, атмосфералық қысымға, электродтардың пішініне (ине және жер жазықтығы, жарты шар тәрізділер және т.б.) және олардың арасындағы арақашықтыққа, тіпті толқынның түріне – синусоидты немесе косинус тікбұрышты болса да – байланысты өзгереді. Бастапқы кезеңдерде, бос электрондар (космостық сәулелерден немесе фондық сәулеленуден) электр өрісімен үдемеленеді. Олар ауа молекулаларымен соқтығысқанда қосымша иондар мен жаңа босатылған электрондар пайда болады, олар да үдемеленеді. Бір кезде жылу энергиясы иондардың көп көзін қамтамасыз етеді. Экспоненциалды түрде өсетін электрондар мен иондар ауаның аралық аймақтарының диэлектрлік түзілу деп аталатын процесте электр өткізгіш болуына жылдам әсер етеді. Аралық түзілгеннен кейін ток ағыны қолдағы зарядпен (электростатикалық разряд үшін) немесе сыртқы қуат көзінің кедергісімен шектеледі. Егер қуат көзі ток беруді жалғастырса, ұшқын үздіксіз разрядқа, электр доғасына айналады. Электрлік ұшқын оқшаулағыш сұйықтықтар мен қатты денелерде де пайда болуы мүмкін, бірақ газдағы ұшқындардан өзгеше түзілу механизмдеріне ие. Кейде ұшқын қауіпті болуы мүмкін. Олар өртке себеп болуы және теріні күйдіруі мүмкін. Күн нұры – табиғаттағы электрлік ұшқынның мысалы, ал үлкен немесе кішкентай электрлік ұшқындар көптеген адам жасаған объектілерде немесе олардың жанында, жобалау арқылы да, кейде кездейсоқ та пайда болады.
An electric spark is an abrupt electrical discharge that occurs when a sufficiently high electric field creates an ionized, electrically conductive channel through a normally insulating medium, often air or other gases or gas mixtures. Michael Faraday described this phenomenon as "the beautiful flash of light attending the discharge of common electricity". The rapid transition from a non conducting to a conductive state produces a brief emission of light and a sharp crack or snapping sound. A spark is created when the applied electric field exceeds the dielectric breakdown strength of the intervening medium. For air, the breakdown strength is about 30 kV/cm at sea level. Experimentally, this figure tends to differ depending upon humidity, atmospheric pressure, shape of electrodes (needle and ground plane, hemispherical etc.) and the corresponding spacing between them and even the type of waveform, whether sinusoidal or cosine rectangular. At the beginning stages, free electrons in the gap (from cosmic rays or background radiation) are accelerated by the electrical field. As they collide with air molecules, they create additional ions and newly freed electrons which are also accelerated. At some point, thermal energy will provide a much greater source of ions. The exponentially increasing electrons and ions rapidly cause regions of the air in the gap to become electrically conductive in a process called dielectric breakdown. Once the gap breaks down, current flow is limited by the available charge (for an electrostatic discharge) or by the impedance of the external power supply. If the power supply continues to supply current, the spark will evolve into a continuous discharge called an electric arc. An electric spark can also occur within insulating liquids or solids, but with different breakdown mechanisms from sparks in gases. Sometimes, sparks can be dangerous. They can cause fires and burn skin. Lightning is an example of an electric spark in nature, while electric sparks, large or small, occur in or near many man made objects, both by design and sometimes by accident.
Тарих
1671 жылы Лейбниц ұшқындардың электр құбылыстарымен байланысты екенін ашты. 1708 жылы Сэмюэл Уолл матамен сүртілген янтарь арқылы ұшқындар тудыру тәжірибесін жүргізді. 1752 жылы Томас Франсуа Далибард, Бенджамин Франклин ұсынған тәжірибеге сүйене отырып, Марли ауылында Кофьер есімді зейнеткер француз драгунына найзағайды Лейден банкасына жинауды ұйымдастырды, осылайша найзағай мен электрдің бір екенін дәлелдеді. Франклиннің әйгілі қағазбау экспериментінде ол найзағай кезінде бұлттан ұшқындарды сәтті алды.
Жалын көздері
Электр ұшқындары бензиндік ішкі жану қозғалтқыштарындағы шамдарда отын мен ауа қоспасын тұтандыру үшін қолданылады. Шамдағы электр разряды оқшауланған орталық электрод пен шамның негізіндегі жерге қосылған терминал арасында болады. Ұшқын үшін қажетті кернеуді тұтану катушкасы немесе магнето қамтамасыз етеді, олар шамға оқшауланған сым арқылы қосылады. Кейбір пештер мен газ плиталарында жалын тұтандырғыштар, тұрақты жалынның орнына, отты бастау үшін электр ұшқындарын пайдаланады. Автоматты қайта тұтандыру – бұл кейбір жалын тұтандырғыштарында қолданылатын қауіпсіздік мүмкіндігі, ол жалынның электр өткізгіштігін анықтап, тұтқырдың жанғанын бағалау үшін осы ақпаратты пайдаланады. Бұл ақпарат тұтандыру құрылғысының жалын жанғаннан кейін ұшқындауын тоқтатуға немесе жалын сөнсе, оны қайтадан тұтандыруға мүмкіндік береді.
Радиобайланыс
Электр шымшауық таратушысы сымсыз байланыс үшін таратушы ретінде қолданылатын радиожиілікті электромагниттік сәулеленуді жасау үшін электр шымшауығын пайдаланады. Шымшауық таратушылар 1887–1916 жылдар аралығындағы радионың алғашқы үш онжылдығында кеңінен қолданылды. Кейіннен олар вакуумдық түтікшелермен алмастырылды және 1940 жылға қарай байланыс үшін қолданылмай қалды. Шымшауық таратушыларды кеңінен пайдалану кемедегі радио операторларына "шымшақтар" деген лақап ат берді.
Металл өңдеу
Электр ұшқыштары металл өңдеудің әртүрлі түрлерінде қолданылады. Электрлік разрядты өңдеу (ЭДМ) кейде ұшқышпен өңдеу деп аталады және дайындамадан материалды алып тастау үшін ұшқыш разрядын пайдаланады. Электрлік разрядты өңдеу қатаң металдарды немесе дәстүрлі әдістермен өңдеу қиын металдарды өңдеу үшін қолданылады. Ұшқыш плазмалық спекалау (SPS) – графит қалыптағы өткізгіш ұнтақ арқылы импульстік тұрақты ток өткізу арқылы жүзеге асырылатын спекалау техникасы. SPS, сыртқы жылыту элементтерімен қамтамасыз етілетін дәстүрлі ыстық изостаттық престеуге қарағанда жылдамдау.
Химиялық талдау
Электр ұшқындарынан пайда болатын жарықты жинап алып, оны ұшқырлар эмиссиялық спектроскопиясы деп аталатын спектроскопия түрі үшін қолдануға болады. Жоғары энергиялы импульсті лазер электр ұшқынын тудыру үшін қолданылуы мүмкін. Лазерлік индукцияланған бөлшектеу спектроскопиясы (LIBS) – үлгідегі атомдарды қоздыру үшін жоғары импульстік энергиялы лазерді пайдаланатын атомдық эмиссиялық спектроскопияның бір түрі. LIBS лазерлік ұшқын спектроскопиясы (LSS) деп те аталады. Электр ұшқындары массалық спектрометрия үшін иондар жасауға да қолданылуы мүмкін. Ұшқын разряды, әр түрлі металл және көміртек көздерімен бір рет қолданылатын экранды басылған көміртек электродының (SPE) бетін ин-ситу өзгерту арқылы электрохимиялық сезімдеуде де қолданылған.
Қауіптер
Шабытқыштар адамдарға, жануарларға тіпті жансыз заттарға да қауіпті болуы мүмкін. Электр ұшқыштары жанғыш заттарды, сұйықтықтарды, газдарды және буларды тұтандыруы мүмкін. Тіпті байқаусыз статикалық разрядтар немесе шамдарды немесе басқа тізбектерді қосу кезінде пайда болатын кішкентай ұшқындар бензин, ацетон, пропан сияқты көздерден немесе ұн фабрикаларындағы немесе жалпы ұнтақтарды өңдейтін зауыттардағы сияқты ауадағы шаң концентрациясынан туындайтын тұтанғыш буларды тұтануға жеткілікті болуы мүмкін. Шабыт көбінесе жоғары кернеудің немесе "потенциалдық өрістің" бар екендігін көрсетеді. Кернеу неғұрлым жоғары болса, ұшқын соғұрлым алысқа секіріп өте алады, ал жеткілікті энергиямен қамтамасыз етілсе, жарқырау немесе доға сияқты үлкен разрядтарға әкелуі мүмкін. Егер адам жоғары кернеулі статикалық зарядталған болса немесе жоғары кернеулі электр көзіне жақын болса, ұшқын өткізгіш пен адам арасында секіріп, ауыр күйіктерге, жүрек пен ішкі органдардың тоқтауына немесе тіпті доға жарқырауына айналуы мүмкін, бұл одан да жоғары энергияны босатуға мүмкіндік береді. Жоғары кернеулі ұшқындар, тіпті электрошокер сияқты аз энергиялы ұшқындар да жүйке жүйесінің өткізгіш жолдарын жүктеуі мүмкін, бұл еріктісіз бұлшықет жиырылуына немесе жүрек соғысы сияқты маңызды жүйке функцияларына кедергі келтіруі мүмкін. Егер энергия жеткілікті төмен болса, оның көп бөлігі ауаны қыздыруға жұмсалуы мүмкін, сондықтан ұшқын толыққанды тұрақталмайды. Дегенмен, өте аз энергиялы ұшқындар да ауа арқылы электр тогы өте алатын "плазма туннелін" жасайды. Бұл плазма Күн бетінен де жоғары температураға дейін қыздырылады және шағын, жергілікті күйіктерге себеп болуы мүмкін. Электродтарды адам денесіне жапқанда, түйісу нүктесінде ұшқынның пайда болуын және теріге зақым келтіруін болдырмау үшін өткізгіш сұйықтықтар, гельдер немесе майлар жиі қолданылады. Сол сияқты, ұшқындар металдар мен басқа өткізгіштерге зақым келтіріп, бетін тозуға немесе ойылуға ұшыратуы мүмкін – бұл электрлік гравировкада қолданылатын құбылыс. Ұшқындар сонымен қатар озонды бөліп шығарады, ол жеткілікті концентрацияда тыныс алуда қиындықтарға, қышуға немесе тіндерге зақым келтіруге және кейбір пластиктер сияқты басқа материалдарға зиянды болуы мүмкін.