Искра́ и промежу́ток для искры: принци́п работы и примене́ние.

Введение

Два проводящих электрода, разделенных для обеспечения прохождения электрической искры между ними.

Искровой промежуток состоит из двух проводящих электродов, разделенных зазором, обычно заполненным газом, таким как воздух, предназначенным для прохождения электрической искры между электродами. Когда разность потенциалов между электродами превышает пробивное напряжение газа в зазоре, образуется искра, ионизируя газ и резко снижая его электрическое сопротивление. Затем по цепи течет электрический ток до тех пор, пока путь ионизированного газа не прервется или ток не уменьшится ниже минимального значения, называемого "током поддержания". Обычно это происходит при падении напряжения, но в некоторых случаях это происходит, когда нагретый газ поднимается, растягиваясь и разрывая нить ионизированного газа. Обычно ионизация газа происходит бурно и сопровождается разрушением, часто вызывая звук (от щелчка в свече зажигания до грома при молнии), свет и тепло. Искровые промежутки исторически использовались в раннем электрическом оборудовании, таком как искровые радиопередатчики, электростатические машины и рентгеновские аппараты. В настоящее время их наиболее широкое применение – в свечах зажигания для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания, но они также используются в устройствах защиты от импульсных перенапряжений и других устройствах для защиты электрического оборудования от высоковольтных переходных процессов.

Напряжение при разрыве

Для воздуха диэлектрическая прочность составляет около 30 кВ/см на уровне моря.

Видимость искры

Свет, излучаемый искрой, исходит не от самого тока электронов, а от материальной среды, которая флуоресцирует в ответ на столкновения с электронами. Когда электроны сталкиваются с молекулами воздуха в зазоре, они возбуждают орбитальные электроны этих молекул до более высоких энергетических уровней. Когда эти возбужденные электроны возвращаются к своим исходным энергетическим уровням, они излучают энергию в виде света. Видимая искра не может образоваться в вакууме. Без промежуточной среды, способной к электромагнитным переходам, искра будет невидимой (см. вакуумную дугу).

Приложения

Искровые промежутки необходимы для работы ряда электронных устройств.

Устройства зажигания

В свече зажигания используется искровой зазор для инициирования сгорания. Тепло ионизационного следа, но что более важно, ультрафиолетовое излучение и горячие свободные электроны (оба вызывают образование реакционноспособных свободных радикалов) воспламеняют топливно-воздушную смесь внутри двигателя внутреннего сгорания или горелки в печи, духовке или плите. Чем больше ультрафиолетового излучения производится и успешно распространяется в камере сгорания, тем полнее протекает процесс сгорания. Смесь водорода и кислорода для главного двигателя космического шаттла воспламенялась искровым зажигателем.

Защитные устройства

Пробелы в искре часто используются для предотвращения повреждения оборудования от перенапряжений. Искровые промежутки применяются в высоковольтных выключателях, больших силовых трансформаторах, на электростанциях и электрических подстанциях. Такие выключатели конструктивно состоят из большого, дистанционно управляемого переключающего лезвия с шарниром, выполняющего роль одного контакта, и двух листовых пружин, удерживающих другой конец в качестве второго контакта. При размыкании лезвия искра может поддерживать проводимость между лезвием и пружиной. Искра ионизирует воздух, который становится проводящим и позволяет образоваться дуге, поддерживающей ионизацию и, следовательно, проводимость. "Лестница Якова", установленная над выключателем, заставит дугу подниматься и в конечном итоге затухать. Небольшие "лестницы Якова" также можно встретить, установленными на вершине керамических изоляторов высоковольтных опор линий электропередач. Иногда их называют роговыми промежутками. Если искре удастся перескочить через изолятор и вызвать образование дуги, она будет погашена. Меньшие искровые промежутки часто используются для защиты чувствительного электрического или электронного оборудования от высоковольтных перенапряжений. В более сложных версиях этих устройств (называемых газоразрядными ограничителями) небольшой искровой промежуток пробивается при аномальном скачке напряжения, безопасно отводя перенапряжение на землю и тем самым защищая оборудование. Эти устройства обычно используются для телефонных линий при входе в здание; искровые промежутки помогают защитить здание и внутренние телефонные цепи от воздействия ударов молнии. Менее сложные (и значительно более дешевые) искровые промежутки изготавливаются из модифицированных керамических конденсаторов; в этих устройствах искровой промежуток представляет собой воздушный зазор, образованный между двумя выводами, соединяющими конденсатор с цепью. Скачок напряжения вызывает искру, перескакивающую между выводами через зазор, образовавшийся в процессе изготовления. Эти недорогие устройства часто используются для предотвращения повреждения дугой элементов электронно-лучевой пушки в кинескопе (ЭЛТ). Небольшие искровые промежутки широко распространены в телефонных коммутаторах, поскольку длинные телефонные кабели очень восприимчивы к наведенным перенапряжениям от ударов молнии. Более крупные искровые промежутки используются для защиты линий электропередач. Иногда искровые промежутки реализуются на печатных платах в электронных устройствах с помощью двух близко расположенных открытых проводников. Это эффективный и практически бесплатный способ добавления базовой защиты от перенапряжения в электронные продукты. Транзилы и тризилы являются твердотельными альтернативами искровым промежуткам для применений с низкой мощностью. Неоновые лампы также используются для этих целей.

Spark gaps are frequently used to prevent voltage surges from damaging equipment. Spark gaps are used in high voltage switches, large power transformers, in power plants and electrical substations. Such switches are constructed with a large, remote operated switching blade with a hinge as one contact and two leaf springs holding the other end as second contact. If the blade is opened, a spark may keep the connection between blade and spring conducting. The spark ionizes the air, which becomes conductive and allows an arc to form, which sustains ionization and hence conduction. A Jacob's ladder on top of the switch will cause the arc to rise and eventually extinguish. One might also find small Jacob's ladders mounted on top of ceramic insulators of high voltage pylons. These are sometimes called horn gaps. If a spark should ever manage to jump over the insulator and give rise to an arc, it will be extinguished. Smaller spark gaps are often used to protect sensitive electrical or electronic equipment from high voltage surges. In sophisticated versions of these devices (called gas tube arresters), a small spark gap breaks down during an abnormal voltage surge, safely shunting the surge to ground and thereby protecting the equipment. These devices are commonly used for telephone lines as they enter a building; the spark gaps help protect the building and internal telephone circuits from the effects of lightning strikes. Less sophisticated (and much less expensive) spark gaps are made using modified ceramic capacitors; in these devices, the spark gap is simply an air gap sawn between the two lead wires that connect the capacitor to the circuit. A voltage surge causes a spark that jumps from lead wire to lead wire across the gap left by the sawing process. These low cost devices are often used to prevent damaging arcs between the elements of the electron gun(s) within a cathode ray tube (CRT). Small spark gaps are very common in telephone switchboards, as the long phone cables are very susceptible to induced surges from lightning strikes. Larger spark gaps are used to protect power lines. Spark gaps are sometimes implemented on Printed Circuit Boards in electronics products using two closely spaced exposed PCB traces. This is an effectively zero cost method of adding crude over voltage protection to electronics products. Transils and trisils are the solid state alternatives to spark gaps for lower power applications. Neon bulbs are also used for this purpose.

Фотография высокой скорости

Искровой промежуток, инициированный разрядом в воздушном зазоре, используется для генерации фотографических вспышек света с длительностью менее микросекунды.

Радиопередатчики

Искра излучает энергию во всем электромагнитном спектре. В настоящее время это обычно рассматривается как незаконное радиочастотное помеховое излучение и подавляется, но в первые годы развития радиосвязи (1880–1920) это был способ передачи радиосигналов с помощью немодулированного передатчика с искровым промежутком. Многие искровые промежутки в радиоаппаратуре включают в себя устройства охлаждения, такие как роторные искровые промежутки и радиаторы, поскольку при непрерывной работе на высокой мощности искровой промежуток сильно нагревается.

Пробел в сфере для измерения напряжения

Калиброванный сферический искровой промежуток пробивается при очень стабильном напряжении, если скорректировать его относительно давления воздуха, влажности и температуры. Искровой промежуток между двумя сферами позволяет измерять напряжение без использования электроники или делителей напряжения с точностью около 3%. Искровой промежуток можно использовать для измерения высокого напряжения переменного тока, постоянного тока или импульсов, но для очень коротких импульсов на один из электродов может быть добавлен источник ультрафиолетового излучения или радиоактивный источник для обеспечения электронов.

Устройства переключения питания

Искровые промежутки могут использоваться в качестве электрических выключателей, поскольку они имеют два состояния с существенно различным электрическим сопротивлением. Сопротивление между электродами может достигать 10 Ом, когда электроды разделены газом или вакуумом, что означает, что даже при высоком напряжении между электродами протекает небольшой ток. Сопротивление снижается до значений порядка 10 Ом, когда электроды соединены плазмой, что означает, что рассеяние мощности остается низким даже при высоком токе. Эта комбинация свойств обусловила использование искровых промежутков в качестве электрических выключателей в приложениях импульсной мощности, где энергия накапливается при высоком напряжении в конденсаторе, а затем разряжается при высоком токе. Примеры включают импульсные лазеры, рельсотроны, генераторы Маркса, термоядерный синтез, исследования в области сверхмощных импульсных магнитных полей и инициирование ядерного взрыва. Когда искровой промежуток состоит только из двух электродов, разделенных газом, переход между непроводящим и проводящим состояниями определяется законом Пашена. При типичных комбинациях давления и расстояния между электродами закон Пашена утверждает, что таунсендовский разряд заполняет промежуток между электродами проводящей плазмой всякий раз, когда отношение напряженности электрического поля к давлению превышает постоянную величину, определяемую составом газа. Скорость снижения давления ограничена критическим потоком, а увеличение электрического поля в цепи разряда конденсатора ограничено емкостью цепи и током, доступным для зарядки емкости. Эти ограничения скорости инициирования разряда означают, что искровые промежутки с двумя электродами обычно имеют высокий джиттер (неустойчивость момента времени пробоя). Искровые промежутки с принудительным запуском – это класс устройств, оснащенных дополнительными средствами запуска для достижения низкого джиттера. Чаще всего используется третий электрод, как в тригатроне. Напряжение на запускающем электроде может быть изменено быстро, поскольку емкость между ним и другими электродами невелика. В искровом промежутке с принудительным запуском давление газа оптимизируется для минимизации джиттера и предотвращения случайного запуска. Искровые промежутки с принудительным запуском изготавливаются в герметичных версиях с ограниченным диапазоном напряжения и в версиях с регулируемым давлением, диапазон напряжения которых пропорционален доступному диапазону давления. Искровые промежутки с принудительным запуском имеют много общего с другими газонаполненными трубками, такими как тиратроны, критроны, игнитроны и кроссатроны. Вакуумные искровые промежутки с принудительным запуском, или спритроны, похожи на искровые промежутки с принудительным запуском как по внешнему виду, так и по конструкции, но основаны на другом принципе работы. Вакуумный искровой промежуток с принудительным запуском состоит из трех электродов в герметичном стеклянном или керамическом корпусе, из которого удален воздух. Это означает, что в отличие от искрового промежутка с принудительным запуском, вакуумный искровой промежуток работает в параметрическом пространстве слева от минимума Пашена, где пробой стимулируется увеличением давления. Ток между электродами ограничен небольшим значением за счет эмиссии поля в непроводящем состоянии. Пробой инициируется быстрым испарением материала с запускающего электрода или соседнего резистивного покрытия. После инициирования вакуумной дуги вакуумный искровой промежуток заполняется проводящей плазмой, как и любой другой искровой промежуток. Вакуумный искровой промежуток с принудительным запуском имеет больший диапазон рабочих напряжений, чем герметичный искровой промежуток с принудительным запуском, поскольку кривые Пашена намного круче слева от минимума Пашена, чем при более высоких давлениях. Вакуумные искровые промежутки с принудительным запуском также устойчивы к радиации, поскольку в непроводящем состоянии они не содержат газа, который мог бы быть ионизирован излучением.

Spark gaps may be used as electrical switches because they have two states with significantly different electrical resistance. Resistance between the electrodes may be as high as 10 ohms when the electrodes are separated by gas or vacuum which means that little current flows even when a high voltage exists between the electrodes. Resistance drops as low as a 10 ohms low when the electrodes are connected by plasma which means that power dissipation is low even at high current. This combination of properties has led to the use of spark gaps as electrical switches in pulsed power applications where energy is stored at high voltage in a capacitor and then discharged at high current. Examples include pulsed lasers, railguns, Marx generators, fusion, ultrastrong pulsed magnetic field research, and nuclear bomb triggering. When a spark gap consists of only two electrodes separated by gas, the transition between the non conducting and conducting states is governed by Paschen's law. At typical pressure and electrode distance combinations, Paschen's law says that Townsend discharge will fill the gap between the electrodes with conductive plasma whenever the ratio of the electric field strength to the pressure exceeds a constant value determined by the composition of the gas. The speed with which pressure can be reduced is limited by choked flow, while increasing the electric field in a capacitor discharge circuit is limited by the capacitance in the circuit and the current available for charging the capacitance. These limitations on the speed with which discharge may be initiated mean that spark gaps with two electrodes typically have high jitter. Triggered spark gaps are a class of devices with some additional means of triggering to achieve low jitter. Most commonly, this is a third electrode, as in a trigatron. The voltage of the trigger electrode can be changed quickly because the capacitance between it and the other electrodes is small. In a triggered spark gap, gas pressure is optimized to minimize jitter while also avoiding unintentional triggering. Triggered spark gaps are made in permanently sealed versions with limited voltage range and in user pressurized versions with voltage range proportional to the available pressure range. Triggered spark gaps share many similarities with other gas filled tubes such as thyratrons, krytrons, ignitrons, and crossatrons. Triggered vacuum gaps, or sprytrons, resemble triggered spark gaps both in appearance and construction but rely on a different operating principle. A triggered vacuum gap consists of three electrodes in an airtight glass or ceramic envelope that has been evacuated. This means that, unlike a triggered spark gap, a triggered vacuum gap operates in the parameter space to the left of the Paschen minimum where breakdown is promoted by increasing pressure. Current between the electrodes is limited to a small value by field emission in the non conducting state. Breakdown is initiated by rapidly evaporating material from a trigger electrode or an adjacent resistive coating. Once the vacuum arc is initiated, a triggered vacuum gap is filled with conductive plasma as in any other spark gap. A triggered vacuum gap has a larger operating voltage range than a sealed triggered spark gap because Paschen curves are much steeper to the left of the Paschen minimum than at higher pressures. Triggered vacuum gaps are also rad hard because in the non conducting state they do not contain any gas that could be ionized by radiation.

Борьба с насекомыми

Они также используются как уничтожители насекомых. Два электрода выполнены в виде металлических решеток, расположенных на расстоянии, недостаточном для пробоя напряжения. Когда насекомое оказывается между электродами, расстояние между ними уменьшается благодаря проводящему телу насекомого, и происходит искровой разряд, который убивает и сжигает его. В этом применении механизм искрового промежутка часто используется совместно с приманкой, например, светом, для привлечения насекомого в зону разряда.