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liuxin077的博客

春有百花秋有月,夏有凉风冬有雪。若无闲事在心头,便是人生好时节。

 
 
 

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电火花的秘密  

2014-02-28 16:11:53|  分类: 理化工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        插座上的电火花您一定见到过,只在拔插插头时出现,并伴有“啪”的一声,时常吓到人,这到底是为什么呢?电火花危险吗?如何避免呢?这篇文章中我们详细介绍。

        插座通常放在隐蔽处,光线较暗,插头插上去产生的火花就格外明显,有时整个手掌的面积都被照亮了。不论十几块钱的插座还是上百元的插座都避免不了这个问题。简单来说这是由于空气被较高的电场击穿后产生的,击穿空气并不要求电压有多高。我在网上找到一张插头上电火花的示意图,这张图片质量高,不只是清晰,而且产生电火花的部位画的很准确,看完后面的内容您就会知道为什么说它准确了。

插座上为什么起电火花——生活中的科普 - 俊哥儿 - 俊哥儿的博客(热点透视军情解密名人真相)


        我们放大插头和插孔来分析,图中两片绿色的部分一片是插头部位,另一片是插孔部位。

        前人已经把击穿空气的场强测量出来了,室温,标准大气压,干燥空气下是三百万伏/米,场强的单位在生活中不常用到,你可以简单认为这是一个描述给定距离下的电压大小的单位,给定距离下电压越大,场强越大。当然你也可以理解为给定电荷时电荷受到的力,力越大场强越大。这篇文章里用前者理解更恰当。

        插座里的电压是交流电,我们假设拿在手中没有接通的插头电压和大地是相同的,则三项插座孔中左侧和右侧两个孔会和手中的插头产生0-220v的电压差,中间的插孔因为是地线,所以和我们手中的电压相同。所以电火花只可能出现在交流电三项插孔中左右两侧的插孔中。

电火花的秘密 - liuxin077 - liuxin077的博客

        根据刚才电场强的定义,我们算出,为了击穿空气所需要的距离是0-73微米。73微米(0.073毫米),比0.1毫米略小一点,在刻度尺上几乎分辨不出来,但实际生活中发生击穿的距离远高于73微米,甚至有可能是几毫米,至于原因我们一会儿再介绍。

        这幅图中我们只是从理论上计算出220V交流电下击穿空气时两个金属面所需最长的间距。

插座上为什么起电火花——生活中的科普 - 俊哥儿 - 俊哥儿的博客(热点透视军情解密名人真相)


        我们刚才一直用“击穿”这个词,这是一个怎样的过程呢?

        空气主要由氮气和氧气组成,他们在常见的温度下都是非常稳定的气体,不会分解,不会电离。但如果在某一限定区域里有电场存在,且电场足够强,氧气和氮气里比较稳定的电子就会在电场的作用下脱离原子核束缚,往电压较高的方向流动,这样的过程就是电离,如果场强大,大量的电子挣脱束缚朝一个方向跑出去,原本不导电的空气就形成了一个导电的通路,这就是电场击穿空气。注意,这时电火花尚未出现。

插座上为什么起电火花——生活中的科普 - 俊哥儿 - 俊哥儿的博客(热点透视军情解密名人真相)

        这张图是氧气分子的模型,中央两对电子形成共价键把两个氧原子核牢牢吸在一起,这两对儿电子的能量状态非常低,他们想跑出来需要吸收很多能量,这并不容易;而想让另外几个电子(四周)挣脱束缚则相对简单,实际的数据是,每个电子只要吸收12.5电子伏特的能量就可以挣脱束缚。

        1电子伏特是代表一个电子在1伏特电压差下获得的能量。这是一个非常小的单位,1电子伏特乘以10后面接18个零,能量还不到2焦耳。

        在强电场存在时电子不但吸收了12.5电子伏特的能量挣脱了束缚,在飞行中还被加速撞到其他氧分子上,把本来稳定运行在的氧、氮分子周围的电子也撞了出来,这样一级接一级地发展下去,大量的电子就开始顺着同一方向运动。一条可以导电的通路就形成了。注意,这时电火花尚未出现。

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        只有当电子飞了一段距离重新被氧、氮原子核抓回自己周围时(电子从高能级跃迁到低能级时),才会向外辐射电磁波,有些电磁波人眼是看不到的,不过有些是可以看到的(波长在400-700纳米的电磁波),能不能看到光,光是什么颜色的完全取决于电子向低能级跃迁时能极差的大小,具体可以参考光电效应。这样我们终于看到了电火花。

插座上为什么起电火花——生活中的科普 - 俊哥儿 - 俊哥儿的博客(热点透视军情解密名人真相)

        而同时我们还听到了声音,这是由于短时间放出大量的光和电磁波加热了周围的空气,空气受热后会迅速膨胀,这种膨胀积压周围空气,一波一波传出去,就是声波了。最终我们会听到“啪!”的一声。

        啪的一声出现时,空气更容易被击穿,因为空气的温度之前可能是20℃,但发生电火花处的温度可能有几百或者上千摄氏度,这种高温下氧气和氮气分子外围的电子甚至不需要电场存在,仅凭热运动就可以摆脱原子核的束缚而电离。所以电火花出现后,更加剧了后续电火花的产生。但由于我们终将把插头插进插孔,所以当他们完全接触了以后,就不会在产生电火花了。

        总的来说电火花产生的过程和闪电的现象确实有很多相似之处。不同之处在于电流电插座总是在源源不断提供电荷,保持电压恒定。而云层中一旦出现了闪电,则一部分电荷就被消耗掉了,只能等待云层、雨滴继续摩擦产生新的电荷,知道场强超过300万伏/米才会出现下一次闪电。

        刚刚提到过,电火花发生时插头和插座间距可以远超过73微米。这是由图中红框内的表面缺陷导致。这些表面缺陷都是些小突起,总之是相对于整个平面来说曲率明显增大的地方。火花最先出现在这里。即便没有小突起,在插头金属的拐角处(见本文第二张图)其实也是曲率较高的地方。

插座上为什么起电火花——生活中的科普 - 俊哥儿 - 俊哥儿的博客(热点透视军情解密名人真相)

        下图中红色小球可以理解成那些缺陷,那些曲率很高的地方,图中蓝色大球可以理解为规整的平面,当然,我画的球不够大,当他半径足够大时,从某一个区域截一下就可以近似看成是一个平面了(插头的表面)。中间虽然有比较多的推导过程,都省略掉,最终的结论是电场强度正比于曲率。

插座上为什么起电火花——生活中的科普 - 俊哥儿 - 俊哥儿的博客(热点透视军情解密名人真相)

        如果你翻回到上一张图,会发现那些缺陷的曲率远远大于它所在平面的曲率,我猜也许是一百倍都有了,所以同样的插头上,在这些缺陷点上的电场强度要高于周围平面的许多倍(也许有100倍?我看差不多),这时插头和插座只需要距离几毫米甚至更远我们就可以看见电火花了。

        任何实体材料都免不了有表面的缺陷,比如我找了一张PCB板上的特写,图中用红框标出的就是一些缺陷,在加了电压后,这些点区域上的电场强度也许比下面平面的要高许多倍。

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        这一点对我们选购排插避免电火花就有指导意义。

        如果电源线的插线头是那种镀镍圆柱型的,表面光滑,那么电火花发生的就不会很剧烈频繁,不过这还要看你的插座插线孔铜片的表面处理精细不精细,所以为了避免电火花你买更好的供电线有时也只是一厢情愿,你也要配一个好的排插才可以。

        电火花不光在插座上产生,在我们脱毛衣、梳头、摸门把手时也会出现,那时的电场强度也会很高,但不会致死,致死的原因在于电流通过心脏的时间和强度。但是由于插头电火花在产生时,插座另一端连接着市电,可以源源不断供给电荷用来放电,产生火花,所以插座上产生电火花时被电离的通道上有较大的电流,加热空气的范围如果非常大时你的手也许会被烧到,即便没有烫到手,有时金属插头上都会看到一个烧糊了的坑点,所以最好注意安全。

        比较遗憾的是电火花避免不了,如果你非常害怕见到它,那么每次插插销时先把排插断电,然后把插头插好,最后再给排插合上开关。虽然给排插合上开关的过程一样会产生电火花,但是因为这时已经有更好的隔离或防护,你并不一定暴露在电火花范围内,所以心里上更踏实一些,身体也更安全一些。

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        一些较高级的排插会拥有比较完善的保护功能,比如防浪涌电流,EMI滤波等等,但这些都和预防电火花没有太大关系。以上就是电火花产生的简介,和防护办法,希望对您有所帮助,起码对用电安全多重视一分。



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