Разрядник - Spark gap

Смотрите также: Распространение искры
Искровой разрядник

А разрядник состоит из двух проведение электроды разделены промежутком, обычно заполненным газ Такие как воздуха, призванный позволить электрическая искра пройти между проводниками. Когда разность потенциалов между проводниками превышает напряжение пробоя газа в зазоре, a Искра формы, ионизирующий газа и резко сократить 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 Напряжение падает, но в некоторых случаях происходит, когда нагретый газ поднимается вверх, растягиваясь и затем разрушая нить ионизированного газа. Обычно ионизация газа носит резкий и разрушительный характер, часто приводя к звук (начиная с щелчок для свеча зажигания к гром для молния увольнять), свет и высокая температура.

Искровые разрядники исторически использовались в раннем электрическом оборудовании, таком как радиопередатчики с искровым разрядником, электростатические машины, и Рентгеновские аппараты. На сегодняшний день наиболее широко они используются в Свечи зажигания зажечь топливо в двигатель внутреннего сгорания, но они также используются в молниеотводы и другие устройства для защиты электрооборудования от переходных процессов высокого напряжения.

Напряжение пробоя

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

Видимость искры

Свет, излучаемый искрой, не исходит от тока электроны сам, но из материальной среды флуоресцентный в ответ на столкновения электронов. Когда электроны сталкиваются с молекулами воздуха в зазоре, они возбуждают свои орбитальный электронов к высшему уровни энергии. Когда эти возбужденные электроны возвращаются к своим исходным уровням энергии, они излучают энергию в виде света. Невозможно образование видимой искры в вакуум. Без вмешательства материя способна электромагнитный переходов, искра будет невидимый (видеть вакуумная дуга ).

Приложения

Искровые разрядники необходимы для функционирования ряда электронных устройств.

Устройства зажигания

А свеча зажигания. Искровой разрядник находится внизу.

А свеча зажигания использует искровой разрядник для инициирования горение. Теплота ионизационного следа, но, что более важно, УФ-излучение и горячие свободные электроны (оба вызывают образование реактивных свободных радикалов)[нужна цитата ] воспламенять топливно-воздушную смесь внутри двигатель внутреннего сгорания, или горелка в печи, духовке или плите. Чем больше УФ-излучения производится и успешно распространяется в камеру сгорания, тем дальше идет процесс горения.[нужна цитата ]

В Главный двигатель космического челнока Горючая смесь водорода и кислорода зажигалась искровым запальником.[2]

Защитные устройства

Переключающий контакт на мультиметре действует как искровой разрядник печатной платы.

Искровые промежутки часто используются для предотвращения скачки напряжения от повреждения оборудования. Искровые разрядники используются в высоковольтных переключатели, большая мощность трансформаторы, в электростанции и электрические подстанции. Такие переключатели сконструированы с большим, дистанционно управляемым переключающим ножом с шарниром в качестве одного контакта и двух рессоры удерживая другой конец как второй контакт. Если нож открыт, искра может сохранить проводимость соединения между ножом и пружиной. Искра ионизирует воздух, который становится проводящим.[нужна цитата ] и позволяет образоваться дуге, которая поддерживает ионизацию и, следовательно, проводимость. А Лестница Якоба в верхней части переключателя приведет к возникновению дуги и, в конечном итоге, гашению. Можно было 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 высокого напряжения. всплески. В сложных версиях этих устройств (называемых разрядниками с газовыми трубками) 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 телефон линии при входе в здание; искровые разрядники помогают защитить здание и внутренние телефонные цепи от воздействия молния удары. Менее сложные (и гораздо менее дорогие) разрядники изготавливаются с использованием модифицированных керамические конденсаторы; в этих устройствах искровой разрядник представляет собой просто воздушный зазор распиленный между двумя выводами, 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 (ей) в пределах электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).[нужна цитата ]

Маленькие искровые промежутки очень распространены в телефонные коммутаторы, так как длинные телефонные кабели очень чувствительны к импульсным скачкам молния удары. Для защиты используются большие искровые промежутки. линии электропередач.

Искровые зазоры иногда применяются на Печатные платы в электронных продуктах с использованием двух близко расположенных открытых следов печатной платы. Это эффективный нулевой метод добавления грубой защиты от перенапряжения в электронные продукты.[3]

Transils и трисилы представляют собой твердотельные альтернативы искровым разрядникам для приложений с низким энергопотреблением. Неоновые лампы также используются для этой цели.

Фотосъемка на высокой скорости

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

Сработавший искровой разрядник в воздушный зазор используется для создания фотографических световых вспышек в субмикросекундной области.

Радиопередатчики

Основная статья: Передатчик искрового разрядника
Трубка искрового разрядника

Искра излучает энергию по всему электромагнитный спектр. В настоящее время это обычно считается незаконным. радиопомехи и подавляется, но на заре развития радиосвязи (1880–1920 гг.) это было средство передачи радиосигналов в немодулированный передатчик искрового разрядника. Многие радиоискровые разрядники включают охлаждающие устройства, такие как поворотный зазор и радиаторы, так как искровой разрядник сильно нагревается при продолжительном использовании на большой мощности.

Сферический зазор для измерения напряжения

Откалиброванный сферический искровой разрядник выйдет из строя при высоком воспроизводимом напряжении с поправкой на давление, влажность и температуру воздуха. Зазор между двумя сферами может обеспечить измерение напряжения без использования 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 ультрафиолетовый источник света или радиоактивный источник может быть помещен на один из выводов для обеспечения источника электронов.[4]

Устройства переключения мощности

Искровые разрядники могут использоваться в качестве электрических переключателей, поскольку они имеют два состояния с существенно различным электрическим сопротивлением. Сопротивление между электродами может достигать 1012 Ом когда электроды разделены газом или вакуумом, что означает, что ток протекает незначительно, даже когда между электродами существует высокое напряжение. Сопротивление падает до 10-3 низкое сопротивление, когда электроды соединены плазмой, что означает, что рассеиваемая мощность мала даже при высоком токе. Эта комбинация свойств привела к использованию искровых разрядников в качестве электрических выключателей в импульсная мощность приложения, где энергия хранится при высоком напряжении в конденсатор а затем разряжается большим током. Примеры включают импульсный лазеры, рельсотрон, Генераторы Маркса, слияние, сверхсильный импульсный магнитное поле исследования и срабатывание ядерной бомбы.

Когда искровой промежуток состоит только из двух электродов, разделенных газом, переход между непроводящим и проводящим состояниями определяется Закон Пашена. При типичных комбинациях давления и расстояния между электродами закон Пашена гласит, что Выписка из Таунсенда заполнит зазор между электродами проводящей плазмой всякий раз, когда соотношение электрическое поле сопротивление давлению превышает постоянную величину, определяемую составом газа. Скорость, с которой можно снизить давление, ограничена подавленный поток, в то время как увеличение электрического поля в цепи разряда конденсатора ограничено емкостью в цепи и током, доступным для зарядка емкости. Эти ограничения скорости, с которой может инициироваться разряд, означают, что искровые разрядники с двумя электродами обычно имеют высокую дрожь.[5]

Срабатывающие искровые разрядники - это класс устройств с некоторыми дополнительными средствами запуска для достижения низкого джиттера. Чаще всего это третий электрод, как в тригатрон. Напряжение пускового электрода можно быстро изменить, поскольку емкость между ним и другими электродами мала. В срабатывающем искровом промежутке давление газа оптимизировано, 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 газонаполненные трубки Такие как тиратроны, Критроны, игнитроны, и кроссатроны.

Сработавшие вакуумные зазоры, или спритроны, напоминают искровые разрядники как по внешнему виду, так и по конструкции, но основаны на другом принципе действия. Срабатывающий вакуумный зазор состоит из трех электродов в герметичной стеклянной или керамической оболочке, которая была вакуумирована. Это означает, что, в отличие от срабатывающего искрового промежутка, срабатывающий вакуумный разрядник работает в пространстве параметров слева от минимума Пашена, где пробою способствует повышение давления. Ток между электродами ограничен небольшим значением автоэлектронная эмиссия в непроводящем состоянии. Пробой инициируется быстро испаряющимся материалом с пускового электрода или соседнего резистивного покрытия. Однажды вакуумная дуга инициируется, сработавший вакуумный промежуток заполняется проводящей плазмой, как и в любом другом разряднике. Срабатывающий вакуумный зазор имеет больший диапазон рабочих напряжений, чем запаянный искровый разрядник, потому что кривые Пашена намного круче слева от минимума Пашена, чем при более высоких давлениях. Срабатывающие вакуумные зазоры также круто тяжело потому что в непроводящем состоянии они не содержат газа, который мог бы быть ионизированный излучением.[6]

Визуальные развлечения

Временная выдержка лестницы Иакова
Лестница Иакова за работой

А Лестница Якоба (более формально бегущая дуга высокого напряжения) представляет собой устройство для создания непрерывной цепочки больших искр, поднимающихся вверх. Искровой разрядник образован двумя проводами, примерно вертикальными, но постепенно расходящимися друг от друга кверху узким V форма. Он был назван в честь "лестница в небеса "описано в Библии.

Когда на промежуток подается высокое напряжение, в нижней части проводов в местах, где они находятся ближе всего друг к другу, образуется искра, быстро меняющаяся на искру. электрическая дуга. Воздух разрывается примерно при 30 кВ / см,[7] в зависимости от влажности, температуры и т. д. За исключением падений напряжения на аноде и катоде, дуга ведет себя почти как короткое замыкание, потребляя столько же тока, сколько и электрический источник питания может доставить, и тяжелый нагрузка резко снижает напряжение на зазоре.

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

Этот цикл приводит к экзотической демонстрации электрических белый, желтый, синий или же фиолетовый дуги, которые часто можно увидеть в фильмах о сумасшедшие ученые. Устройство было основным продуктом в школах и научные выставки 1950-х и 1960-х годов, обычно построенный из Искровая катушка модели T или любой другой источник высокого напряжения в диапазоне 10 000–30 000 вольт, например неоновая вывеска трансформатор (5–15 кВ) или цепь телевизионного кинескопа (обратный трансформатор ) (10–28 кВ) и две вешалки или стержни, встроенные в V форма. Для больших лестниц микроволновая печь трансформаторы, соединенные последовательно, умножители напряжения[8][9] и трансформаторы полюсов электросети (полюсные скребки), работающие в обратном направлении (повышающие), обычно используются.

СМИ, связанные с Лестница Якоба в Wikimedia Commons

Опасности для здоровья

Воздействие дуги на устройство может представлять опасность для здоровья. Дуга, образованная в воздухе, 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 средствами, как дуговая сварка может 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.

Напряжения, задействованные в эксперименте «Лестница Джейкоба», могут быть опасными в одном случае, когда погибнет подросток, пытающийся построить такой.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мик, Дж. (1940). «Теория искрового разряда». Физический обзор. 57 (8): 722–728. Bibcode:1940ПхРв ... 57..722М. Дои:10.1103 / PhysRev.57.722.
  2. ^ "Боинг: ориентация главного двигателя космического корабля" (PDF). Боинг. Июнь 1998 г.. Получено 16 ноября 2019.
  3. ^ «Руководство по проектированию для защиты от электростатических разрядов и электромагнитной совместимости» (PDF). Полупроводники NXP. 19 января 2010 г. В архиве (PDF) с оригинала 3 августа 2019 года.
  4. ^ Райан, Хью М. (ред)Техника и испытания высокого напряжения (2-е издание), Институт инженерии и технологий 2001, ISBN  978-0-85296-775-1 страницы
  5. ^ «Расчет инициируемого искрового промежутка». Получено 17 февраля 2019.
  6. ^ Запорные выключатели для выпуска газа. Springer Science + Business Media, LLC. 1990 г. ISBN  978-1-4899-2132-1.
  7. ^ Дж. Дж. Лоук (1992). «Теория электрического пробоя в воздухе» (PDF). Журнал физики D: Прикладная физика. 25 (2): 202–210. Bibcode:1992JPhD ... 25..202л. Дои:10.1088/0022-3727/25/2/012.
  8. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2015-05-18. Получено 2015-05-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  9. ^ «Источник питания постоянного тока 20кВ (самодельный / самодельный) с обратным ходом и встроенными диодами». rimstar.org.
  10. ^ «Подросток из Огайо был убит электрическим током, проводя эксперимент« Лестница Иакова », который он видел на YouTube». CBS Нью-Йорк. 20 апреля 2016 г.. Получено 26 ноября 2020.

внешняя ссылка

Видео Джейкоба Лестница: