Искровой разряд - это явление, при котором происходит высоковольтный электрический разряд через воздух или другой газ между двумя электродами, разделенными небольшим расстоянием. В процессе разряда происходит ионизация газа, что приводит к появлению светящейся искры, сопровождающейся характерным звуком и выделением тепла.
Искровой разряд может возникать как при естественных явлениях, например, во время грозы или вулканических извержений, так и в промышленных процессах, например, при сварке или в производстве электрических приборов. В зависимости от условий, таких как расстояние между электродами, напряжение и частота электрического тока, искровой разряд может принимать различные формы.
Электрическая искра или искровой разряд (наряду с дуговым, тлеющим и коронным) - является одним из видов самостоятельного электрического разряда в газе. Он наблюдается при давлении порядка атмосферного, и в природе это, конечно же, молния.
Известно, что при нормальных условиях, для пробоя одного сантиметра атмосферного воздуха между электродами в форме игл, достаточно постоянного напряжения в 10 кВ.
Если же электроды имеют значительный радиус кривизны, по сравнению с длиной воздушного промежутка между ними, то в этом случае пробивное напряжение для того же воздуха и при том же давлении окажется выше — оно будет находиться в районе 3 кВ на мм.
Искровой разряд протекает в несколько этапов: сначала, по причине ударной ионизации в электрическом поле между электродами, появляются электронные лавины, приводящие к формированию слабо светящихся скоплений ионизированных частиц — так называемых стримеров.
Они пронизывают промежуток между электродами, образуя многочисленные проводящие мостики, по которым далее устремляются мощные потоки электронов. Излучение, возникающее в этот момент, еще более ионизирует искровой канал (происходит фотоионизация), поэтому ток разряда усиливается.
Для получения искрового разряда искусственным путем, необходим источник высокого напряжения, мощность которого в цепи электродов будет ограничена лишь возможностью получения искры и будет недостаточной для поддержания дуги.
После резкого возрастания тока в момент искрового разряда, напряжение между электродами должно резко упасть, стать меньше достаточного для удержания разряда. Далее необходимо некоторое время, по истечении которого разность потенциалов между электродами будет восстановлена до того уровня, при котором ее вновь окажется достаточно для инициирования очередного пробоя.
Продолжительность искрового разряда измеряется микросекундами. Ток в импульсе может достигать тысяч ампер. Температура внутри канала искры достигает 10000 К. Безусловно, искровой разряд нашел самое широкое применение в технике.
Источник возгорания
Топливно-воздушная смесь в бензиновом двигателе (либо газ в газовом двигателе) внутреннего сгорания, - традиционно воспламеняется именно от искрового разряда.
В системе зажигания ДВС свечи зажигания питаются от источника высокого напряжения (от катушки зажигания), при этом специальный распределительный механизм поочередно активирует искру в рабочих цилиндрах двигателя в правильные моменты.
Классическая катушка зажигания представляет собой высоковольтный импульсный трансформатор, первичная обмотка которого питается импульсным напряжением 12 вольт, при этом на вторичной обмотке получаются высоковольтные импульсы в пределах 30 кВ. Этого достаточно для зажигания искры в камере сгорания.
Газовые плиты, котлы и колонки, - традиционно имеют электрическое импульсное либо пьезо-искровое зажигание. Схема электроподжига содержит импульсный трансформатор с электроникой, а принцип работы здесь похож на катушку зажигания автомобиля.
Пьезо-зажигалки — требуют механического действия: резкий перепад давления на пьезокристалл - приводит к генерации электрического импульса на обкладках, прикрепленных к его граням.
Металлообработка
С первой половины 20 века существует электрический метод обработки металла, называемый электроэрозионной обработкой.
Метод состоит в следующем. В среде жидкого диэлектрика (воды) заготовка выполняет роль катода (к ней подключен отрицательный полюс источника постоянного тока), второй электрод-инструмент является анодом (соединен с положительным полюсом источника).
В определенный момент между анодом и катодом генерируется электрический импульс, сопровождаемый искровым разрядом. От действия множества таких разрядов с поверхности заготовки выбиваются кусочки металла.
Варьируя частоту импульсов в пределах нескольких килогерц, изменяя их длительность, напряжение (ток) и расстояние между электродами, добиваются нужного результата. Это может быть абразивная обработка, текстурирование поверхности, резка и другие режимы.
Средний ток зависит от площади обрабатываемой поверхности и от цели, которую преследуют, проводя электроэрозионную обработку.
Химический анализ
Для исследования составов веществ путем анализа спектров ионов и свободных атомов в газах, применяется метод, называемый атомно-эмисионной спектроскопией, при котором регистрируются эмиссионные спектры веществ в оптической области.
Состав вещества определяют, анализируя его линейчатый спектр. Для возбуждения линейчатых спектров, используют свет широкого собственного спектра. Такой свет, кроме прочих путей, можно получить и с помощью плазмы электрической искры. С этой целью применяют искры с приложенным к электродам напряжением от 300 В до 20 кВ.
Низковольтной искре предшествует поджиг высоковольтной искрой. Пространство между электродами в таких установках составляет обычно от 3 до 6 мм, электрические импульсы следуют с частотой от 50 до 100 Гц. Часто для наполнения искровой установки используют аргон.
Радиосвязь
Нельзя не вспомнить, что на заре радио, во времена Герца, все начиналось с экспериментов на базе искровой техники. Искровой разрядник, использовавшийся в передатчике, питался от вторичной обмотки высоковольтной катушки Румкорфа. Искра возбуждала в передающей антенне широкий спектр излучения.
С самого начала исследователи применяли одиночные разрядники, затем к ним прибавились схемы с несколькими включенными последовательно искровыми промежутками, далее дело дошло до вращающихся разрядников.
Приемные резонаторы также имели искровой зазор. Возникновение яркой искры в искровом зазоре приемника-резонатора свидетельствовало о регистрации электромагнитных волн соответствующей длины.
Техника безопасности
Искровой разряд также может быть опасным, особенно в условиях высокого напряжения, поскольку он может вызывать пожары и поражения электрическим током. Поэтому для безопасной работы с электрооборудованием важно соблюдать соответствующие меры предосторожности и использовать специальные средства защиты.
Смотрите также: Коронный разряд - возникновение, особенности и применение
Андрей Повный