Jiskřiště - Spark gap

Jiskřiště

Jiskřiště se skládá z uspořádání dvou vodivých elektrod oddělených mezerou obvykle naplněné plynem , jako je vzduch , který je určen, aby mohla elektrická jiskra projít mezi vodiči. Když potenciální rozdíl mezi vodiči překročí průrazné napětí plynu v mezeře, vytvoří se jiskra , která ionizuje plyn a drasticky sníží jeho elektrický odpor . Elektrický proud pak protéká, dokud se dráha ionizovaného plynu nerozbije nebo dokud proud neklesne pod minimální hodnotu nazývanou „přídržný proud“. K tomu obvykle dochází při poklesu napětí , ale v některých případech k tomu dochází, když ohřátý plyn stoupá, natahuje se a poté se láme vlákno ionizovaného plynu. Obvykle akce ionizuje plyn je násilná a rušivá, což často vede ke zvuku (v rozmezí od mžiku pro zapalovací svíčky na hrom po bleskové výboje), světla a tepla .

Jiskřiště byly historicky používány v raných elektrických zařízeních, jako jsou rádiové vysílače jiskřiště , elektrostatické stroje a rentgenové přístroje . Jejich dnes nejrozšířenější použití je ve zapalovacích svíčkách k zapálení paliva ve spalovacích motorech , ale používají se také v bleskojistkách a dalších zařízeních k ochraně elektrických zařízení před vysokonapěťovými přechodovými jevy.

Průrazné napětí

U vzduchu je pevnost v rozkladu asi 30 kV/cm na úrovni hladiny moře.

Viditelnost jisker

Světlo vyzařované jiskrou nepochází ze samotného proudu elektronů , ale z hmotného média fluoreskujícího v reakci na srážky z elektronů. Když se elektrony střetnou s molekulami vzduchu v mezeře, excitují své orbitální elektrony na vyšší energetické hladiny . Když tyto excitované elektrony klesnou zpět na své původní energetické hladiny, vydávají energii jako světlo. Je nemožné, aby se ve vakuu vytvořila viditelná jiskra . Bez zasahování hmoty schopné elektromagnetických přechodů bude jiskra neviditelná (viz vakuový oblouk ).

Aplikace

Jiskřiště jsou zásadní pro fungování řady elektronických zařízení.

Zapalovací zařízení

Zapalovací svíčka . Jiskřiště je dole.

Zapalovací svíčka používá jiskřiště k zahájení spalování . Teplo ionizační stopy, ale co je důležitější, UV záření a horké volné elektrony (oba způsobují tvorbu reaktivních volných radikálů) zapalují směs paliva a vzduchu uvnitř spalovacího motoru nebo hořáku v peci, peci nebo kamnech . Čím více se produkuje a úspěšně šíří UV záření do spalovací komory, tím dále postup spalování pokračuje.

Směs vodíkového kyslíku s hnacím plynem Space Shuttle Main Engine byla zapálena jiskrovým zapalovačem.

Ochranná zařízení

Kontakty spínače na multimetru fungující jako jiskřiště mezi DPS.

Jiskřiště se často používají k zabránění přepětí z poškození zařízení. Jiskřiště se používají ve vysokonapěťových spínačích , velkých výkonových transformátorech , v elektrárnách a elektrických rozvodnách . Takové spínače jsou konstruovány s velkou dálkově ovládanou spínací čepelí se závěsem jako jedním kontaktem a dvěma listovými pružinami, které drží druhý konec jako druhý kontakt. Pokud je čepel otevřena, může spojení mezi čepelí a vedením pružiny udržet jiskra. Jiskra ionizuje vzduch, který se stává vodivým a umožňuje vytvoření oblouku, který udržuje ionizaci a tím i vedení. A Jákobův žebřík na horní straně přepínače způsobí, že oblouk stoupat a nakonec uhasit. Dalo by se také najít malé Jacobovy žebříky namontované na keramických izolátorech stožárů vysokého napětí. Někdy se jim říká rohové mezery. Pokud by jiskra někdy dokázala přeskočit izolátor a vyvolat oblouk, zhasne.

Menší jiskřiště se často používají k ochraně citlivých elektrických nebo elektronických zařízení před přepětím vysokého napětí . V sofistikovaných verzích těchto zařízení (nazývaných svodiče plynových trubek) se při abnormálním napěťovém rázu porouchá malá jiskřiště, která bezpečně posune ráz na zem a tím ochrání zařízení. Tato zařízení se běžně používají pro telefonní linky při vstupu do budovy; jiskřiště pomáhají chránit budovu a vnitřní telefonní obvody před účinky úderu blesku . Méně sofistikované (a mnohem levnější) jiskřiště jsou vyráběny pomocí modifikovaných keramických kondenzátorů ; v těchto zařízeních je jiskřiště jednoduše vzduchová mezera rozřezaná mezi dvěma vodiči, které spojují kondenzátor s obvodem. Přepětí napětí způsobí jiskru, která přeskočí z olověného drátu na svod přes mezeru, která zbyla při procesu řezání. Tato levná zařízení se často používají k prevenci poškození oblouků mezi prvky elektronové zbraně v katodové trubici (CRT).

Malé mezery jisker jsou v telefonních ústřednách velmi běžné , protože dlouhé telefonní kabely jsou velmi náchylné na indukované přepětí způsobené úderem blesku . K ochraně elektrického vedení se používají větší jiskřiště .

Mezery jisker jsou někdy implementovány na deskách plošných spojů v elektronických produktech pomocí dvou těsně rozmístěných exponovaných tras desek plošných spojů. Toto je efektivně nulová metoda přidání hrubé ochrany proti přepětí do elektronických produktů.

Transily a trisily jsou alternativy v pevné fázi k jiskřištím pro aplikace s nižším výkonem. K tomuto účelu slouží i neonové žárovky .

Vysokorychlostní fotografování

Fotografie střelby Smith & Wesson pořízená zábleskem vzduchové mezery . Fotografie byla pořízena v zatemněné místnosti s otevřenou závěrkou fotoaparátu a blesk byl spuštěn zvukem záběru pomocí mikrofonu.

Spuštěná jiskřiště v záblesku se vzduchovou mezerou se používá k produkci záblesků fotografického světla v subsekundové doméně.

Rádiové vysílače

Trubka jiskřiště

Jiskra vyzařuje energii v celém elektromagnetickém spektru . V dnešní době je to obvykle považováno za nelegální vysokofrekvenční rušení a je potlačeno, ale v raných dobách rádiové komunikace (1880–1920) to byly prostředky, kterými byly vysílány rádiové signály v nemodulovaném vysílači jiskřiště . Mnoho rádiových jiskřišť zahrnuje chladicí zařízení, jako jsou rotační mezery a chladiče , protože při nepřetržitém používání při vysokém výkonu se jiskřiště docela zahřívá.

Mezera koule pro měření napětí

Kalibrovaná sférická jiskřiště se rozpadne při vysoce opakovatelném napětí, když je korigována na tlak vzduchu, vlhkost a teplotu. Mezera mezi dvěma sférami může poskytnout měření napětí bez jakékoli elektroniky nebo děličů napětí s přesností asi 3%. Jiskřiště lze použít k měření vysokonapěťových střídavých, stejnosměrných nebo pulzů, ale u velmi krátkých pulzů lze na jeden z terminálů umístit zdroj ultrafialového světla nebo radioaktivní zdroj, který poskytne zdroj elektronů.

Zařízení pro přepínání napájení

Jiskřiště lze použít jako elektrické spínače, protože mají dva stavy s výrazně odlišným elektrickým odporem. Odpor mezi elektrodami může být až 10 12 ohmů, když jsou elektrody odděleny plynem nebo vakuem, což znamená, že teče malý proud, i když mezi elektrodami existuje vysoké napětí. Odpor klesá tak nízko až o 10-3 ohmů, když jsou elektrody připojeny plazmou, což znamená, že ztrátový výkon je nízký i při vysokém proudu. Tato kombinace vlastností vedla k použití jiskřišť jako elektrických spínačů v pulzních energetických aplikacích, kde je energie uložena pod vysokým napětím v kondenzátoru a poté vybita při vysokém proudu. Mezi příklady patří pulzní lasery , railguns , Marx generátory , fúze , ultra silný pulzní výzkum magnetického pole a spouštění jaderných bomb .

Když se jiskřiště skládá pouze ze dvou elektrod oddělených plynem, přechod mezi nevodivým a vodivým stavem se řídí Paschenovým zákonem . Při typických kombinacích tlaku a vzdálenosti elektrod Paschenův zákon říká, že Townsendův výboj vyplní mezeru mezi elektrodami vodivým plazmatem, kdykoli poměr síly elektrického pole k tlaku překročí konstantní hodnotu určenou složením plynu. Rychlost, kterou lze snížit tlak, je omezena tlumeným tokem , zatímco zvýšení elektrického pole ve vybíjecím obvodu kondenzátoru je omezeno kapacitou v obvodu a proudem dostupným pro nabíjení kapacity . Tato omezení rychlosti, se kterou může být zahájen výboj, znamenají, že jiskřiště se dvěma elektrodami mají obvykle vysoký jitter .

Spouštěcí jiskřiště jsou třídou zařízení s některými dalšími prostředky spouštění k dosažení nízkého jitteru. Nejčastěji se jedná o třetí elektrodu, jako v trigatronu . Napětí spouštěcí elektrody lze rychle změnit, protože kapacita mezi ní a ostatními elektrodami je malá. Ve spouštěcí jiskřišti je tlak plynu optimalizován tak, aby se minimalizovalo chvění a zároveň se zabránilo neúmyslnému spuštění. Spouštěcí jiskřiště jsou vyráběna v trvale utěsněných verzích s omezeným rozsahem napětí a v uživatelem natlakovaných verzích s napěťovým rozsahem úměrným dostupnému tlakovému rozsahu. Spouštěcí jiskřiště mají mnoho podobností s jinými trubkami plněných plynem , jako je tyratrony , krytrons , ignitrony a crossatrons .

Spouštěné vakuové mezery nebo sprytrony svým vzhledem i konstrukcí připomínají spouštěcí mezery, ale spoléhají na jiný provozní princip. Spouštěná vakuová mezera se skládá ze tří elektrod ve vzduchotěsné skleněné nebo keramické obálce, která byla evakuována. To znamená, že na rozdíl od spuštěné jiskřiště funguje spouštěcí vakuová mezera v prostoru parametrů nalevo od paschenského minima, kde je rozpad podporován rostoucím tlakem. Proud mezi elektrodami je omezen na malou hodnotu emisí pole v nevodivém stavu. Rozpad je iniciován rychle se odpařujícím materiálem ze spouštěcí elektrody nebo sousedního odporového povlaku. Jakmile je vakuový oblouk zahájen, spuštěná vakuová mezera je naplněna vodivým plazmatem jako v každé jiné jiskřiště. Spouštěná vakuová mezera má větší rozsah provozního napětí než zapečetěná spouštěcí jiskřiště, protože Paschenovy křivky jsou mnohem strmější nalevo od Paschenova minima než při vyšších tlacích. Spouštěné vakuové mezery jsou také rad tvrdé, protože v nevodivém stavu neobsahují žádný plyn, který by mohl být ionizován zářením .

Vizuální zábava

Časová expozice Jacobova žebříku
Jacobův žebřík v práci

A Jákobův žebřík (více formálně, je vysoké napětí cestování oblouku ) je zařízení pro výrobu spojité vlak velkých jisker, které se zvednou nahoru. Jiskřiště je tvořeno dvěma dráty, přibližně svislými, ale postupně se od sebe rozbíhajícími směrem k vrcholu v úzkém tvaru V. Byl pojmenován podle „ žebříku do nebe “ popsaného v Bibli.

Když je na mezeru aplikováno vysoké napětí, přes spodní část vodičů, kde jsou nejblíže k sobě, se vytvoří jiskra, která se rychle mění na elektrický oblouk . Vzduch se rozpadá asi na 30 kV/cm, v závislosti na vlhkosti, teplotě atd. Kromě poklesu napětí anody a katody se oblouk chová téměř jako zkrat a odebírá tolik proudu, kolik dokáže dodat napájecí zdroj , a velké zatížení dramaticky snižuje napětí přes mezeru.

Ohřátý ionizovaný vzduch stoupá a nese s sebou aktuální cestu. Jak se stezka ionizace prodlužuje, stává se stále více nestabilní a nakonec se láme. Napětí na elektrodách pak stoupá a jiskra se znovu tvoří ve spodní části zařízení.

Tento cyklus vede k exoticky vypadajícímu zobrazení elektrických bílých , žlutých , modrých nebo purpurových oblouků, které je často k vidění ve filmech o šílených vědcích . Zařízení bylo základem škol a vědeckých veletrhů v 50. a 60. letech minulého století, obvykle bylo vyrobeno ze zapalovací cívky Modelu T nebo z jakéhokoli jiného zdroje vysokého napětí v rozmezí 10 000–30 000 voltů, jako je transformátor neonových značek (5– 15 kV) nebo televizní trubkový obvod ( flyback transformátor ) (10–28 kV) a dva věšáky nebo tyče zabudované do tvaru V. U větších žebříků se běžně používají transformátory mikrovlnné trouby zapojené do série, multiplikátory napětí a transformátory užitkových pólů (pólová prasata) obrácené (step-up).

Média související s Jacobovým žebříčkem na Wikimedia Commons

Ovládání hmyzu

Používají se také jako hmyzí vapery. Dvě elektrody jsou implementovány jako kovové mříže umístěné trochu příliš daleko od sebe, aby napětí přeskočilo. Když se hmyz pustí mezi elektrody, vzdálenost mezery se sníží tělem hmyzu, protože je vodivá, a dojde k jiskrovému výboji, který hmyz usmrtí a spálí.

Při tomto použití je mechanismus jiskřiště často používán ve spojení s návnadou, jako je například světlo, k přilákání hmyzu do jiskřiště.

Zdravotní rizika

Vystavení zařízení generujícímu oblouk může představovat zdravotní rizika. Oblouk vytvořený ve vzduchu ionizuje kyslík a dusík, který se pak může znovu zformovat na reaktivní molekuly, jako je ozón a oxid dusnatý . Tyto produkty mohou poškozovat sliznice . Rostliny jsou také náchylné k otravě ozonem. Tato nebezpečí jsou největší, když je oblouk spojitý a v uzavřeném prostoru, jako je místnost. Oblouk, který se vyskytuje venku, je méně nebezpečný, protože zahřáté ionizované plyny stoupají do vzduchu a rozptylují se do atmosféry. Jiskřiště, které pouze přerušovaně vytvářejí krátké jiskry, jsou také minimálně nebezpečné, protože objem generovaných iontů je velmi malý.

Oblouky mohou také produkovat široké spektrum vlnových délek pokrývajících viditelné světlo a neviditelné ultrafialové a infračervené spektrum. Velmi intenzivní oblouky generované prostředky, jako je obloukové svařování, mohou produkovat značné množství ultrafialového záření, které poškozuje rohovku pozorovatele. Tyto oblouky by měly být pozorovány pouze pomocí speciálních tmavých filtrů, které snižují intenzitu oblouku a chrání oči pozorovatele před ultrafialovými paprsky.

Viz také

Reference

externí odkazy

Videa Jacob's Ladder: