Электрическая искра: природа, механизмы и применение.

Введение

Внезапный электрический разряд через ионизированный канал.

Электрическая искра – это внезапный электрический разряд, возникающий, когда достаточно сильное электрическое поле создает ионизированный, электрически проводящий канал в обычно изолирующей среде, чаще всего в воздухе или других газах и газовых смесях. Майкл Фарадей описал это явление как «прекрасный всплеск света, сопровождающий разряд обычного электричества». Быстрый переход из непроводящего в проводящее состояние производит кратковременную эмиссию света и резкий треск или хлопок. Искра возникает, когда приложенное электрическое поле превышает диэлектрическую прочность разделяющей среды. Для воздуха прочность на пробой составляет около 30 кВ/см на уровне моря. Экспериментально это значение может варьироваться в зависимости от влажности, атмосферного давления, формы электродов (игла и плоскость, полусферическая и т.д.) и расстояния между ними, а также типа формы сигнала – синусоидальной или прямоугольной. На начальных этапах свободные электроны в зазоре (от космических лучей или фонового излучения) ускоряются электрическим полем. При столкновении с молекулами воздуха они создают дополнительные ионы и высвобождают новые электроны, которые также ускоряются. В какой-то момент тепловая энергия становится значительно большим источником ионов. Экспоненциально возрастающее количество электронов и ионов быстро приводит к тому, что области воздуха в зазоре становятся электрически проводящими в процессе, называемом диэлектрическим пробоем. После пробоя ток ограничивается доступным зарядом (при электростатическом разряде) или сопротивлением внешнего источника питания. Если источник питания продолжает подавать ток, искра переходит в непрерывный разряд, называемый электрической дугой. Электрическая искра может возникать также в изолирующих жидкостях или твердых телах, но с другими механизмами пробоя, чем в газах. Иногда искры могут быть опасны, вызывая пожары и ожоги кожи. Молния – пример электрической искры в природе, в то время как электрические искры, большие или маленькие, возникают вблизи или внутри многих созданных человеком объектов, как по замыслу, так и случайно.

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.

История

В 1671 году Лейбниц обнаружил, что искры связаны с электрическими явлениями. В 1708 году Сэмюэл Уолл проводил эксперименты с янтарем, натёртым тканью, для получения искр. В 1752 году Томас Франсуа Далибард, следуя эксперименту, предложенному Бенджамином Франклином, организовал сбор молнии в лейденскую банку отставным французским драгуном Кофье в деревне Марли, тем самым доказав, что молния и электричество – это одно и то же. В знаменитом эксперименте с воздушным змеем Франклину удалось извлечь искры из облака во время грозы.

Источники зажигания

Электрические искры используются в свечах зажигания бензиновых двигателей внутреннего сгорания для воспламенения топливно-воздушных смесей. Электрический разряд в свече зажигания происходит между изолированным центральным электродом и заземленным контактом на основании свечи. Напряжение для искры подается катушкой зажигания или магнито, соединенными со свечой изолированным проводом. В некоторых печах и газовых плитах для инициирования горения вместо пилотного пламени используются электрические искры. Автоматическое повторное зажигание – это функция безопасности, применяемая в некоторых устройствах зажигания пламени, которая определяет электрическую проводимость пламени и использует эту информацию для определения наличия пламени горелки. Эта информация используется для прекращения искрообразования устройства зажигания после воспламенения пламени или для повторного зажигания пламени в случае его погасания.

Радиокоммуникации

Передатчик с искровым промежутком использует электрический искровой промежуток для генерации радиочастотного электромагнитного излучения, которое может применяться в качестве передатчика для беспроводной связи. Передатчики с искровым промежутком широко использовались в первые три десятилетия радиовещания, с 1887 по 1916 год. Позже они были вытеснены вакуумными лампами, и к 1940 году их перестали использовать для связи. Широкое распространение передатчиков с искровым промежутком привело к тому, что радистов на кораблях стали называть "искрами".

Металлообработка

Электрические искры используются в различных видах металлообработки. Электроэрозионная обработка (EDM), которую иногда называют искровой обработкой, использует искровой разряд для удаления материала с заготовки. Электроэрозионная обработка применяется для твердых металлов или металлов, которые сложно обрабатывать традиционными методами. Искроплазменное спекание (SPS) – это метод спекания, использующий импульсный постоянный ток, проходящий через проводящий порошок в графитовой форме. SPS происходит быстрее, чем традиционное горячее изостатическое прессование, где нагрев осуществляется внешними нагревательными элементами.

Химический анализ

Свет, производимый электрическими искрами, может быть собран и использован для спектроскопии, известной как спектроскопия искровой эмиссии. Высокоэнергетический импульсный лазер может быть использован для создания электрической искры. Лазерно-индуцированная спектроскопия пробоя (ЛИБС) – это тип атомно-эмиссионной спектроскопии, использующий лазер с высокой энергией импульса для возбуждения атомов в образце. ЛИБС также называют лазерной искровой спектроскопией (LSS). Электрические искры также могут использоваться для создания ионов для масс-спектрометрии. Искровой разряд также применяется в электрохимическом сенсоринге посредством модификации поверхности одноразовых экранированных углеродных электродов (SPE) различными металлическими и углеродными источниками.

Опасности

Искры могут быть опасны для людей, животных и даже неживых предметов. Электрические искры могут воспламенять легковоспламеняющиеся материалы, жидкости, газы и пары. Даже случайные статические разряды, или небольшие искры, возникающие при включении света или других электрических цепей, могут быть достаточными для воспламенения горючих паров от источников, таких как бензин, ацетон, пропан, или пылевых концентраций в воздухе, например, на мукомольных заводах или на предприятиях, работающих с порошками. Искры часто указывают на наличие высокого напряжения, или "потенциального поля". Чем выше напряжение, тем дальше искра может перескочить через зазор, и при достаточной энергии это может привести к более мощным разрядам, таким как свечение или дуга. Если человек заряжен высоким напряжением статического электричества или находится вблизи высоковольтного оборудования, искра может перескочить между проводником и человеком, находящимся достаточно близко, высвобождая при этом значительно большую энергию, способную вызвать сильные ожоги, остановить сердце и работу внутренних органов, или даже привести к электрической дуге. Высоковольтные искры, даже с низкой энергией, например, от электрошокера, могут перегружать проводящие пути нервной системы, вызывая непроизвольные мышечные сокращения или нарушая жизненно важные функции нервной системы, такие как сердечный ритм. При достаточно низкой энергии большая ее часть может расходоваться только на нагрев воздуха, поэтому искра не стабилизируется в полноценное свечение или дугу. Однако искры даже с очень низкой энергией все равно создают "плазменный канал" в воздухе, по которому может проходить электричество. Эта плазма нагревается до температур, часто превышающих температуру поверхности Солнца, и может вызывать небольшие локальные ожоги. Для предотвращения образования искр в точке контакта и повреждения кожи при приложении электродов к телу человека часто используются проводящие жидкости, гели или мази. Аналогично, искры могут повреждать металлы и другие проводники, вызывая их абляцию или образование ямок на поверхности – явление, используемое в электроэрозионной обработке. Искры также производят озон, который в достаточно высоких концентрациях может вызывать дискомфорт или затруднение дыхания, зуд или повреждение тканей, а также оказывать вредное воздействие на другие материалы, такие как некоторые виды пластика.

Sparks can be hazardous to people, animals or even inanimate objects. Electric sparks can ignite flammable materials, liquids, gases and vapors. Even inadvertent static discharges, or small sparks that occur when switching on lights or other circuits, can be enough to ignite flammable vapors from sources like gasoline, acetone, propane, or dust concentrations in the air, such as those found in flour mills or more generally in factories handling powders. Sparks often indicate the presence of a high voltage, or "potential field". The higher the voltage; the farther a spark can jump across a gap, and with enough energy supplied can lead to greater discharges such as a glow or an arc. When a person is charged with high voltage static charges, or is in the presence of high voltage electrical supplies, a spark can jump between a conductor and a person who is in close enough proximity, allowing the release of much higher energies that can cause severe burns, shut down the heart and internal organs, or even develop into an arc flash. High voltage sparks, even those with low energy such as from a stun gun, can overload the conductive pathways of the nervous system, causing involuntary muscle contractions, or interfere with vital nervous system functions such as heart rhythm. When the energy is low enough most of it may be used just heating the air, so the spark never fully stabilizes into a glow or arc. However, sparks with very low energy still produce a "plasma tunnel" through the air, through which electricity can pass. This plasma is heated to temperatures often greater than the surface of the Sun, and can cause small, localized burns. Conductive liquids, gels or ointments are often used when applying electrodes to a person's body, preventing sparks from forming at the point of contact and damaging skin. Similarly, sparks can cause damage to metals and other conductors, ablating or pitting the surface; a phenomenon which is exploited in electric etching. Sparks also produce ozone which, in high enough concentrations, can cause respiratory discomfort or distress, itching, or tissue damage, and can be harmful to other materials such as certain plastics.