Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
См. Также: Spark spread
Искровой разрядник

Искровой зазор состоит из двух расположения проводящих электродов , разделенных зазором , обычно заполненном газом , таким как воздух , предназначенный , чтобы позволить электрической искры , чтобы пройти между проводниками. Когда разность потенциалов между проводниками превышает напряжение пробоя газа в зазоре, образуется искра , ионизирующая газ и резко снижающая его электрическое сопротивление . Затем электрический ток течет до тех пор, пока путь ионизированного газа не прервется или ток не упадет ниже минимального значения, называемого «ток удержания». Обычно это происходит, когда напряжениепадает, но в некоторых случаях происходит, когда нагретый газ поднимается вверх, растягиваясь и затем разрывая нить ионизированного газа. Как правило, действие ионизации газа является жестоким и разрушительным, что часто приводит к звуку ( в диапазоне от в оснастке для свечи зажигания к грому для молнии разряда), света и тепла .

Искровые разрядники исторически использовались в раннем электрическом оборудовании, таком как радиопередатчики с искровыми промежутками , электростатические машины и рентгеновские аппараты . Сегодня их наиболее широко применяют в свечах зажигания для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания , но они также используются в грозозащитных устройствах и других устройствах для защиты электрооборудования от высоковольтных переходных процессов.

Напряжение пробоя [ править ]

Для воздуха прочность на пробой составляет около 30 кВ / см на уровне моря. [1]

Видимость Spark [ править ]

Свет, излучаемый искрой, исходит не от самого тока электронов , а от материальной среды, флуоресцирующей в ответ на столкновения электронов. Когда электроны сталкиваются с молекулами воздуха в зазоре, они возбуждают свои орбитальные электроны на более высокие уровни энергии . Когда эти возбужденные электроны возвращаются к своим исходным уровням энергии, они излучают энергию в виде света. Образование видимой искры в вакууме невозможно . Без вмешательства вещества, способного к электромагнитным переходам, искра будет невидимой (см. Вакуумную дугу ).

Приложения [ править ]

Искровые разрядники необходимы для функционирования ряда электронных устройств.

Устройства зажигания [ править ]

Свечи зажигания . Искровой разрядник находится внизу.

Свеча зажигания использует искровой промежуток , чтобы инициировать горение . Теплота ионизации следа, но что более важно, УФ - излучение и горячие свободные электроны (оба вызывают образование реактивных свободных радикалов) [ править ] воспламенить топливо-воздушной смеси внутри двигателя внутреннего сгорания , или горелки в печи, духовка, либо плита. Чем больше УФ-излучения производится и успешно распространяется в камеру сгорания, тем дальше идет процесс горения. [ необходима цитата ]

Шаттл Главный двигатель кислорода водорода пропеллент смесь воспламеняется с искровым воспламенителем. [2]

Защитные устройства [ править ]

Переключатель контактирует на мультиметре, действующем как искровой разрядник печатной платы.
См. Также: Сетевой фильтр.

Искровые разрядники часто используются для предотвращения повреждения оборудования скачками напряжения . Искровые разрядники используются в высоковольтных выключателях , больших силовых трансформаторах , на электростанциях и электрических подстанциях . Такие переключатели имеют большую дистанционно управляемую переключающую лопасть с шарниром в качестве одного контакта и двумя пластинчатыми пружинами, удерживающими другой конец в качестве второго контакта. Если нож открыт, искра может сохранить проводимость соединения между ножом и пружиной. Искра ионизирует воздух, который становится проводящим [ необходима цитата ] и позволяет образоваться дуге, которая поддерживает ионизацию и, следовательно, проводимость. А лестница Иаковав верхней части переключателя приведет к возникновению дуги и, в конечном итоге, гашению. Можно также найти небольшие лестницы Иакова, установленные на керамических изоляторах высоковольтных опор. Иногда их называют роговыми промежутками. Если искра когда-нибудь сможет перепрыгнуть через изолятор и вызвать дугу, она погаснет.

Меньшие искровые разрядники часто используются для защиты чувствительного электрического или электронного оборудования от скачков напряжения . В сложных версиях этих устройств (называемых газоразрядными разрядниками) небольшой искровой разрядник выходит из строя во время аномального скачка напряжения, безопасно шунтируя скачок напряжения на землю и тем самым защищая оборудование. Эти устройства обычно используются для телефонных линий при входе в здание; искровые разрядники помогают защитить здание и внутренние телефонные цепи от ударов молнии . Менее сложные (и гораздо менее дорогие) искровые разрядники изготавливаются с использованием модифицированных керамических конденсаторов ; в этих устройствах искровой разрядник - это просто пропиленный воздушный зазормежду двумя подводящими проводами, которые подключают конденсатор к цепи. Скачок напряжения вызывает искру, которая перескакивает от подводящего провода к подводящему проводу через зазор, оставшийся в процессе резки. Эти недорогие устройства часто используются для предотвращения повреждения дуги между элементами электронной пушки (электронных пушек) внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). [ необходима цитата ]

Небольшие искровые разрядники очень распространены в телефонных коммутаторах , так как длинные телефонные кабели очень чувствительны к импульсным скачкам напряжения от ударов молнии . Искровые разрядники большего размера используются для защиты линий электропередач .

Искровые разрядники иногда создаются на печатных платах в электронных продуктах с помощью двух близко расположенных открытых следов печатной платы. Это эффективный метод с нулевыми затратами для добавления грубой защиты от перенапряжения в электронные продукты. [3]

Transil и trisils - это твердотельные альтернативы искровым разрядникам для приложений с низким энергопотреблением. Для этого также используются неоновые лампочки .

Высокоскоростная фотография [ править ]

Фотография стрельбы Smith & Wesson, сделанная со вспышкой с воздушным зазором . Фотография была сделана в затемненной комнате с открытым затвором камеры, а вспышка срабатывала по звуку выстрела с помощью микрофона.

Срабатывающий искровой разрядник во вспышке с воздушным зазором используется для создания фотографических световых вспышек в субмикросекундной области.

Радиопередатчики [ править ]

Основная статья: передатчик искрового промежутка
Трубка искрового разрядника

Искра излучает энергию во всем электромагнитном спектре . В настоящее время это обычно рассматривается как незаконные радиопомехи и подавляется, но на заре развития радиосвязи (1880–1920 гг.) Это было средство передачи радиосигналов в немодулированном искровом передатчике . Многие радиоискровые разрядники включают в себя охлаждающие устройства, такие как поворотный зазор и радиаторы , так как разрядник сильно нагревается при непрерывном использовании на большой мощности.

Сферический зазор для измерения напряжения [ править ]

Калиброванный сферический искровой разрядник выйдет из строя при высоком воспроизводимом напряжении, если его скорректировать на давление, влажность и температуру воздуха. Зазор между двумя сферами может обеспечить измерение напряжения без использования какой-либо электроники или делителей напряжения с точностью около 3%. Искровой разрядник можно использовать для измерения высокого напряжения переменного и постоянного тока или импульсов, но для очень коротких импульсов на один из выводов можно установить источник ультрафиолетового света или радиоактивный источник, чтобы обеспечить источник электронов. [4]

Устройства переключения мощности [ править ]

Искровые разрядники могут использоваться в качестве электрических переключателей, поскольку они имеют два состояния с существенно различным электрическим сопротивлением. Сопротивление между электродами может достигать 10 12 Ом, когда электроды разделены газом или вакуумом, что означает, что небольшой ток протекает даже при наличии высокого напряжения между электродами. Сопротивление падает до 10 -3 Ом, когда электроды соединены плазмой, что означает, что рассеяние мощности невелико даже при высоком токе. Эта комбинация свойств привела к использованию искровых разрядников в качестве электрических переключателей в импульсных системах питания, где энергия накапливается при высоком напряжении в конденсаторе, а затем разряжается при высоком токе. Примеры включают импульсныйлазеры , рельсотроны , генераторы Маркса , термоядерный синтез , исследование сверхсильного импульсного магнитного поля и запуск ядерных бомб .

Когда искровой разрядник состоит только из двух электродов, разделенных газом, переход между непроводящим и проводящим состояниями регулируется законом Пашена . При типичных комбинациях давления и расстояния между электродами закон Пашена гласит, что разряд Таунсенда заполняет зазор между электродами проводящей плазмой всякий раз, когда отношение напряженности электрического поля к давлению превышает постоянное значение, определяемое составом газа. Скорость, с которой может быть снижено давление, ограничивается засорением потока , в то время как увеличение электрического поля в цепи разряда конденсатора ограничивается емкостью в цепи и током, доступным для зарядки емкости.. Эти ограничения на скорость, с которой может инициироваться разряд, означают, что искровые разрядники с двумя электродами обычно имеют высокий джиттер . [5]

Срабатывающие искровые разрядники - это класс устройств с некоторыми дополнительными средствами запуска для достижения низкого джиттера. Чаще всего это третий электрод, как в тригатроне . Напряжение пускового электрода можно быстро изменить, поскольку емкость между ним и другими электродами мала. В срабатывающем искровом промежутке давление газа оптимизируется, чтобы минимизировать дрожание, а также избежать непреднамеренного срабатывания. Срабатывающие искровые разрядники изготавливаются в версиях с постоянной герметизацией с ограниченным диапазоном напряжений и в версиях с повышенным давлением пользователя с диапазоном напряжения, пропорциональным доступному диапазону давления. Срабатывающие искровые разрядники имеют много общего с другими газонаполненными трубками, такими как тиратроны , критроны , игнитроны., и кроссатроны .

Срабатывающие вакуумные разрядники или спритроны напоминают срабатывающие разрядники как по внешнему виду, так и по конструкции, но основаны на другом принципе работы. Срабатывающий вакуумный зазор состоит из трех электродов в герметичной стеклянной или керамической оболочке, которые были вакуумированы. Это означает, что, в отличие от срабатывающего разрядника, срабатывающий вакуумный разрядник работает в пространстве параметров слева от минимума Пашена, где пробою способствует повышение давления. Ток между электродами ограничен до небольшого значения за счет автоэлектронной эмиссии в непроводящем состоянии. Пробой инициируется быстро испаряющимся материалом с пускового электрода или соседнего резистивного покрытия. Как только вакуумная дугаинициируется, сработавший вакуумный промежуток заполняется проводящей плазмой, как и в любом другом разряднике. Срабатывающий вакуумный зазор имеет больший диапазон рабочих напряжений, чем запечатанный управляемый искровой разрядник, потому что кривые Пашена намного круче слева от минимума Пашена, чем при более высоких давлениях. Срабатывающие вакуумные зазоры также очень трудны, потому что в непроводящем состоянии они не содержат газа, который мог бы ионизироваться излучением .[6]

Визуальные развлечения [ править ]

Временная выдержка лестницы Иакова
Воспроизвести медиа
Лестница Иакова за работой

А лестница Иакова (более формальный язык , высоковольтное путешествие дуги ) представляет собой устройство для получения непрерывной череды крупных искр , которые поднимаются вверх. Искровой разрядник образован двумя проводами, примерно вертикальными, но постепенно расходящимися друг от друга в направлении вершины узкой V- образной формы. Он был назван в честь « лестницы в небо », описанной в Библии.

Когда к промежутку прикладывается высокое напряжение, в нижней части проводов в местах, где они находятся ближе всего друг к другу, образуется искра, быстро переходящая в электрическую дугу . Воздух разрывается при напряжении около 30 кВ / см [7] в зависимости от влажности, температуры и т. Д. Помимо падений напряжения на аноде и катоде, дуга ведет себя почти как короткое замыкание , потребляя столько тока, сколько может обеспечить источник электропитания. , а большая нагрузка резко снижает напряжение на зазоре.

Нагретый ионизированный воздух поднимается вверх, унося с собой путь тока. По мере того, как след ионизации становится длиннее, он становится все более и более нестабильным и, наконец, обрывается. Затем напряжение на электродах повышается, и в нижней части устройства снова возникает искра.

Этот цикл приводит к экзотическому отображению электрических белых , желтых , синих или пурпурных дуг, которые часто можно увидеть в фильмах о безумных ученых . Устройство было основным продуктом в школах и научных выставках 1950-х и 1960-х годов, обычно оно строилось из искровой катушки модели T или любого другого источника высокого напряжения в диапазоне 10 000–30 000 вольт, такого как трансформатор с неоновой вывеской (5–5). 15 кВ) или схему телевизионного кинескопа ( обратноходовой трансформатор ) (10–28 кВ), а также две плечики или стержни V- образной формы. Для больших лестниц, микроволновая печьОбычно используются последовательно соединенные трансформаторы, умножители напряжения [8] [9] и полюсные трансформаторы (полюсные скребки), работающие в обратном направлении (повышающие).

СМИ, связанные с лестницей Иакова на Викискладе?

Опасности для здоровья [ править ]

Воздействие устройства, генерирующего дугу, может представлять опасность для здоровья. Образовавшаяся в воздухе дуга ионизирует кислород и азот, которые затем могут преобразовываться в реактивные молекулы, такие как озон и оксид азота . Эти продукты могут повредить слизистые оболочки . Растения также подвержены отравлению озоном. Эти опасности наиболее велики, когда дуга непрерывна и в замкнутом пространстве, например в комнате. Возникающая снаружи дуга представляет меньшую опасность, поскольку нагретые ионизированные газы поднимаются в воздух и рассеиваются в атмосфере. Искровые промежутки, которые только периодически вызывают короткие искровые разряды, также минимально опасны, поскольку объем генерируемых ионов очень мал.

Дуги также могут создавать широкий спектр длин волн, охватывающий видимый свет и невидимый ультрафиолетовый и инфракрасный спектр. Очень интенсивные дуги, генерируемые такими способами, как дуговая сварка, могут производить значительное количество ультрафиолетового излучения, которое повреждает роговицу наблюдателя. Эти дуги следует наблюдать только через специальные темные фильтры, которые уменьшают интенсивность дуги и защищают глаза наблюдателя от ультрафиолетовых лучей.

См. Также [ править ]

  • Дуговая лампа
  • Дугообразные рога
  • Коронный разряд
  • Электрическая дуга
  • Система зажигания
  • Катушка зажигания Model T
  • Список тем электроники
  • Плазменно-дуговые громкоговорители
  • Радар
  • Передатчик искрового разрядника
  • Свеча зажигания
  • Катушка Тесла
  • Вакуумная дуга
  • Закон Пашена

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Meek, J. (1940). «Теория искрового разряда». Физический обзор . 57 (8): 722–728. Полномочный код : 1940PhRv ... 57..722M . DOI : 10.1103 / PhysRev.57.722 .
  2. ^ "Боинг: ориентация главного двигателя космического корабля" (PDF) . Боинг . Июнь 1998 . Дата обращения 16 ноября 2019 .
  3. ^ «Руководство по проектированию для защиты от электростатических разрядов и электромагнитной совместимости» (PDF) . NXP Semiconductors . 19 января 2010 г. Архивировано 3 августа 2019 г. (PDF) из оригинала.
  4. ^ Райан, Хью М. (редактор) Инженерия и тестирование высокого напряжения (2-е издание) , Институт инженерии и технологий 2001, ISBN 978-0-85296-775-1 страницы 
  5. ^ "Триггерный дизайн искрового зазора" . Проверено 17 февраля 2019 .
  6. ^ Запорные выключатели для выпуска газа . Springer Science + Business Media, LLC. 1990. ISBN. 978-1-4899-2132-1.
  7. ^ JJ Lowke (1992). «Теория электрического пробоя в воздухе» (PDF) . Журнал физики D: Прикладная физика . 25 (2): 202–210. Bibcode : 1992JPhD ... 25..202L . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 25/2/012 .
  8. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2015-05-18 . Проверено 7 мая 2015 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  9. ^ «Источник питания постоянного тока 20кВ (самодельный / самодельный) с обратным ходом и встроенными диодами» . rimstar.org .

Внешние ссылки [ править ]

Видео Лестницы Иакова:

  • Трансформатор в Неваде
  • В чьем-то доме