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Le pouvoir mystérieux des étincelles électriques : pourquoi peuvent-elles tout enflammer en un instant ?
Une étincelle est une décharge électrique soudaine qui se produit lorsqu'un champ électrique suffisamment fort crée un chemin conducteur chargé dans un milieu normalement isolant tel que l'air ou d'autres gaz. étincelle. Ce phénomène a conduit de nombreux scientifiques, comme Michael Faraday, à le qualifier de « magnifique éclair de lumière accompagnant la décharge ordinaire d’un courant électrique ».
La transition rapide de l'étincelle d'un état non conducteur à un état conducteur s'accompagne d'un bref éclair de lumière et d'un bruit sec et sec.
Des étincelles se produisent lorsque le champ électrique appliqué dépasse la résistance diélectrique du milieu. Pour l'air, sa résistance au claquage est d'environ 30 kV/cm au niveau de la mer. Différentes expériences montreront des variations de ce nombre, en fonction de l'humidité, de la pression atmosphérique, de la forme des électrodes (par exemple en forme d'aiguille et plate, hémisphérique, etc.) et de la distance entre elles, et même du type de forme d'onde, comme un onde sinusoïdale ou onde rectangulaire cosinus.
Au stade initial du flux de courant, les électrons libres dans l'espace (provenant des rayons cosmiques ou du rayonnement de fond) sont accélérés par le champ électrique, provoquant une avalanche de Townsend. Lorsque ces électrons entrent en collision avec des molécules d’air, ils créent davantage d’ions et de nouveaux électrons générés, qui sont également accélérés. Finalement, l’énergie thermique fournit une grande source d’ions, provoquant une rupture diélectrique dans la région à l’intérieur du vide.
Une fois le vide comblé, la limite du flux de courant est déterminée par la charge disponible (par exemple, une décharge électrostatique) ou l'impédance de la source d'alimentation externe. Si la source d’alimentation continue de fournir du courant, l’étincelle se transformera en un phénomène de décharge continue appelé arc. Des étincelles électriques peuvent également se produire dans des liquides ou des solides isolants, mais leur mécanisme de claquage est différent de celui des étincelles dans les gaz.
Histoire de l'EDM
En 1671, Leibniz découvre que les étincelles sont liées à l’électricité. En 1708, Samuel Wall a mené une expérience visant à produire des étincelles en frottant du caoutchouc contre du tissu. En 1752, Thomas François Dallibard demanda à un vétéran français de recueillir la foudre dans une bouteille de Leyde dans le village de Marly, en se basant sur une expérience proposée par Benjamin Franklin, prouvant que la foudre et l'électricité sont le même phénomène. La célèbre expérience du cerf-volant de Franklin est un exemple de réussite de l'extraction d'étincelles à partir de nuages pendant un orage.
Applications de l'EDM
Source d'allumage
Une étincelle électrique est utilisée dans la bougie d'allumage d'un moteur à combustion interne à essence pour enflammer le mélange de carburant et d'air. La charge de la bougie d'allumage est déchargée de l'électrode centrale isolée vers la borne de terre. La tension pour l'étincelle est fournie par une bobine d'allumage ou un générateur magnéto et est connectée à la bougie via des fils isolés. Les allumeurs à flamme utilisent une étincelle électrique pour démarrer la combustion sur certains poêles et brûleurs à gaz, remplaçant ainsi la flamme volante traditionnelle.
Communication sans fil
Les émetteurs à éclateur utilisent un éclateur électrique pour générer un rayonnement électromagnétique radiofréquence qui peut être utilisé comme émetteur pour les communications sans fil. Les émetteurs à éclateur ont été largement utilisés pendant les trente premières années, de 1887 à 1916, mais ont ensuite été remplacés par des systèmes à tubes à vide et n'ont plus été utilisés pour les communications avant 1940. L'utilisation généralisée des émetteurs à éclateur a fait de « Spark » un surnom pour les opérateurs radio des navires.
Travail des métaux
Les étincelles électriques sont également utilisées dans diverses techniques de travail des métaux. L'usinage par décharge électrique (EDM), parfois appelé usinage par étincelles, utilise des décharges d'étincelles pour éliminer la matière d'une pièce. Cette technologie est principalement utilisée pour les métaux durs difficiles à traiter avec les techniques traditionnelles. Le frittage par plasma d'étincelles (SPS) est une technique de frittage qui consiste à faire passer un courant continu pulsé à travers une poudre conductrice dans une matrice en graphite. Le SPS est plus rapide que le pressage isostatique à chaud traditionnel.
Analyse chimique
La lumière produite par une étincelle électrique peut être utilisée dans une technique spectroscopique appelée spectroscopie d’émission d’étincelles. Les lasers pulsés à haute énergie peuvent également être utilisés pour produire des étincelles électriques. La spectroscopie de claquage induit par laser (LIBS) est une technique de spectroscopie d'émission atomique qui utilise des lasers pulsés à haute énergie pour exciter les atomes d'un échantillon. Cette technique est également connue sous le nom de spectroscopie à étincelle laser (LSS). Les étincelles électriques sont également utilisées pour créer des ions en spectrométrie de masse.
Dangers des étincelles électriquesLes étincelles électriques sont dangereuses pour les personnes, les animaux et même les objets statiques. Les étincelles électriques peuvent enflammer des matières combustibles, des liquides, des gaz et des vapeurs. Même les décharges statiques accidentelles, telles que celles générées lors de l’allumage des lumières ou d’autres circuits, peuvent enflammer des étincelles provenant de vapeurs inflammables telles que l’essence, l’acétone, le propane ou les poudres dans un moulin à farine.
Si une personne transporte de l'électricité statique à haute tension ou se trouve à proximité d'une source d'alimentation à haute tension, des étincelles jailliront entre le conducteur et son corps, libérant une énergie énorme, ce qui peut provoquer de graves brûlures, des dommages au cœur et aux organes internes, et même provoquer Génération d'arc électrique. Même des étincelles de relativement faible énergie, comme celles émises par un pistolet paralysant, peuvent surcharger les voies électriques du système nerveux, provoquant des contractions musculaires involontaires ou perturbant le rythme cardiaque.Les étincelles indiquent souvent la présence d'un champ à haute tension ; plus la tension est élevée, plus la distance que l'étincelle peut parcourir est grande.
L'étincelle électrique n'est donc pas seulement un phénomène physique fascinant, elle déclenche également notre réflexion profonde sur la sécurité, la technologie et l'application. Derrière ces phénomènes, y a-t-il d’autres mystères non résolus qui attendent que nous les explorions ?
