Language
Country/Area
No result found
القوة الغامضة للشرارة الكهربائية: لماذا يمكنها إشعال كل شيء في لحظة؟
الشرارة الكهربائية هي ظاهرة تفريغ كهربائي مفاجئ تحدث عندما يخلق مجال كهربائي قوي بدرجة كافية قناة موصلة مشحونة في وسط عازل طبيعي (مثل الهواء أو الغازات الأخرى). ودفعت هذه الظاهرة العديد من العلماء، مثل مايكل فاراداي، إلى الإشادة بها ووصفها بأنها "ومضة جميلة من الضوء مصحوبة بتفريغ عادي للكهرباء".
يؤدي الانتقال السريع للشرارة إلى تغيير الحالة غير الموصلة إلى حالة موصلة، مصحوبة بضوء قصير وصوت فرقعة واضح.
عندما يتجاوز المجال الكهربائي المطبق قوة انهيار العزل الكهربائي للوسط، تحدث شرارة كهربائية. بالنسبة للهواء، تبلغ قوة انهياره حوالي 30 كيلو فولت/سم عند مستوى سطح البحر. ستظهر التجارب المختلفة اختلافات في هذا العدد، اعتمادًا على الرطوبة والضغط الجوي وشكل الأقطاب الكهربائية (مثل الإبرة والمستوى المرجعي والنصف الكروي وما إلى ذلك) والمسافة بينهما، وحتى نوع الشكل الموجي، مثل جيب التمام أو جيب التمام. موجة مستطيلة.
في المرحلة الأولية لتدفق التيار، سيتم تسريع الإلكترونات الحرة الموجودة في الفجوات (من الأشعة الكونية أو إشعاع الخلفية) بواسطة المجال الكهربائي، مما يسبب انهيارات تاونسند الجليدية. عندما تصطدم هذه الإلكترونات بجزيئات الهواء، يتم إنشاء المزيد من الأيونات والإلكترونات المنشأة حديثًا، والتي يتم تسريعها أيضًا. في النهاية، توفر الطاقة الحرارية مصدرًا كبيرًا للأيونات، مما يؤدي إلى انهيار العزل الكهربائي في المنطقة داخل الفراغ.
بمجرد انهيار الفراغ، يعتمد الحد الأقصى لتدفق التيار على الشحنة المتاحة (مثل التفريغ الكهروستاتيكي) أو مقاومة المصدر الخارجي. إذا استمر مصدر الطاقة في توفير التيار، فسوف تتحول الشرارة إلى ظاهرة تفريغ مستمرة تسمى الانحناء. يمكن أن يحدث الشرر الكهربائي أيضًا في السوائل العازلة أو المواد الصلبة، لكن آلية الانهيار تختلف عن الشرر في الغازات.
تاريخ الشرر الكهربائي
في عام 1671، اكتشف لايبنتز أن الشرر مرتبط بالكهرباء. في عام 1708، أجرى صموئيل وول تجارب على الاحتكاك بين المطاط والقماش لإنتاج الشرر. في عام 1752، رتب توماس فرانسوا داليبارد لجندي فرنسي متقاعد لجمع البرق في زجاجة ليدن في قرية مارلي بناءً على التجربة التي اقترحها بنجامين فرانكلين، والتي أثبتت أن البرق والكهرباء هما نفس الظاهرة. كانت تجربة الطائرة الورقية الشهيرة التي أجراها فرانكلين مثالاً على نجاحه في استخراج الشرر من السحب أثناء عاصفة رعدية.
تطبيق الشرارة الكهربائية
مصدر الإشعال
يستخدم الشرر الكهربائي في شمعات الإشعال في محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالبنزين لإشعال خليط الوقود والهواء. يتم تفريغ الشحنة الموجودة في شمعة الإشعال من القطب المركزي المعزول إلى الطرف الأرضي. يتم توفير جهد الشرارة بواسطة ملف الإشعال أو مولد مغناطيسي ويتم توصيله بقابس الشرارة بواسطة سلك معزول. تستخدم أجهزة إشعال اللهب شرارة كهربائية لبدء الاحتراق في بعض المواقد ومواقد الغاز، لتحل محل اللهب الطائر التقليدي.
الاتصالات اللاسلكية
تستخدم أجهزة إرسال فجوة الشرارة فجوة شرارة كهربائية لتوليد إشعاع كهرومغناطيسي بتردد راديوي يمكن استخدامه كجهاز إرسال للاتصالات اللاسلكية. تم استخدام أجهزة إرسال فجوة الشرارة على نطاق واسع خلال الثلاثين عامًا الأولى من عام 1887 إلى عام 1916، ولكن تم استبدالها لاحقًا بأنظمة الأنابيب المفرغة ولم تعد تُستخدم للاتصالات قبل عام 1940. أدى الاستخدام الواسع النطاق لأجهزة إرسال فجوة الشرارة إلى أن تصبح "Spark" لقبًا لمشغلي راديو السفينة.
معالجة المعادن
يستخدم التفريغ الكهربائي أيضًا في مجموعة متنوعة من تقنيات معالجة المعادن. تستخدم معالجة التفريغ الكهربائي (EDM)، والتي تسمى أحيانًا المعالجة بالشرارة، تفريغات شرارة لإزالة المواد من قطعة العمل. تُستخدم هذه التقنية بشكل أساسي للمعادن الصلبة التي يصعب تصنيعها باستخدام التقنيات التقليدية. تلبيد شرارة البلازما (SPS) عبارة عن تقنية تلبيد يتم تلبيدها عن طريق تمرير تيار مستمر نابض من خلال مسحوق موصل في قالب الجرافيت. SPS أسرع من الضغط المتوازن الساخن التقليدي.
التحليل الكيميائي
يمكن استخدام الضوء الناتج عن الشرارات الكهربائية في تقنية طيفية تسمى التحليل الطيفي لانبعاث الشرارة. يمكن أيضًا استخدام أشعة الليزر النبضية عالية الطاقة لتوليد شرارات كهربائية. التحليل الطيفي للانهيار المستحث بالليزر (LIBS) هو تقنية تحليل طيفي للانبعاث الذري تستخدم أشعة ليزر ذات طاقة نبضية عالية لإثارة الذرات في العينة. تُعرف هذه التقنية أيضًا باسم التحليل الطيفي لشرارة الليزر (LSS). تُستخدم الشرارات الكهربائية أيضًا لتكوين الأيونات في قياس الطيف الكتلي.
مخاطر الشرر الكهربائي
تشكل الشرر الكهربائي خطرًا على الأشخاص والحيوانات وحتى الأشياء الثابتة. يمكن أن يؤدي الشرر الكهربائي إلى اشتعال المواد والسوائل والغازات والأبخرة القابلة للاشتعال. حتى تلك التفريغات الاستاتيكية العرضية التي تتولد عند تشغيل الأضواء أو الدوائر الأخرى يمكن أن تشعل شرارات من البنزين أو الأسيتون أو البروبان أو الأبخرة القابلة للاشتعال مثل مسحوق مطحنة الدقيق.
يشير الشرر غالبًا إلى وجود مجال عالي الجهد، وكلما زاد الجهد، زادت إمكانية انتشار الشرارة.
إذا كان لدى شخص ما كهرباء ساكنة عالية الجهد أو كان بالقرب من مصدر طاقة عالي الجهد، فسوف تقفز الشرر بين الموصل وجسم الشخص، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة التي قد تسبب حروقًا شديدة وأضرارًا للقلب والأعضاء الداخلية. الأعضاء، وحتى يؤدي إلى توليد وميض القوس. حتى الشرر منخفض الطاقة، مثل تلك الصادرة عن مسدس الصعق، يمكن أن يزيد من التحميل على المسارات الكهربائية للجهاز العصبي، مما يسبب تقلصات عضلية لا إرادية أو تعطيل إيقاع القلب.
ولذلك، فإن الشرارة الكهربائية ليست مجرد ظاهرة فيزيائية رائعة، ولكنها تثير أيضًا تفكيرنا العميق حول السلامة والتكنولوجيا والتطبيقات. خلف هذه الظواهر، هل هناك المزيد من الألغاز التي لم يتم حلها والتي تنتظر منا استكشافها؟
