火花-插頭插上的瞬間-電弧既美麗又危險

火花-插上電源那瞬間真嚇人

當插頭插入電源座的那一霎那,通常會聽到”啵”一聲,若在光線昏暗的地方更可能看到小小的火花,這就是所謂的電弧(Arc),也稱為氣體放電現象,簡單說就是空氣的絕緣特性被打穿了,在間隙中原本絕緣的空氣瞬間變成了導體,產生光和熱,若時間太長會有起火的風險。

由於電壓要把空氣打穿,需要夠近的距離,開手電筒其實也會有火花,只是它非常小你看不到也聽不到。筆電插頭插電,因為它有110V而電流也夠大,我們就開始看得到電弧了。隨著電壓增加,電弧產生的距離也隨之增加,例如鐵路電車頂上的集電弓在震動情況下與高壓電線離開或接觸的那一瞬間就會產生電弧,在夜晚尤其明顯。世界上最大的電弧效應相信你不陌生,它就是閃電,它是由雲層與地球之間的放電現象造成的,所以插電時看到的火花,你可以想像是個小型的閃電。

有人說我插電風扇插頭沒看到火花啊? 那是因為電風扇本身有開關,通常插上插頭時電風扇都是關著的,所以沒有迴路就不會有火花。如果你先把風扇打開再插插頭,插上去那一瞬間迴路產生,你一樣會看到火花。

家裡的燈跑有時會發出滋滋的聲音就是燈座裡面的接點咬合處氧化嚴重,產生電弧才會發出滋滋聲,詳情請看這篇燈泡閃爍-滋滋作響-DIY維修自己來,那個聲音跟本文最後的參考影片內的聲音是否很雷同? 大家可以比較一下。

火花-電弧的爆裂聲
火花-電弧的爆裂聲

電壓打穿空氣-空氣變導體

它的原理是當兩個電極之間存在電位差,而且距離夠短的時候,存在於電極之間的空氣會被離子化,也就是原本中性的氣體分子,被電極產生的電場硬是拆解為帶電的離子,離子化的空氣於是變成了導體,因此在這一瞬間電流突然發生。而且空氣因為離子化的關係,釋放出光與熱,因此可以看到火花。由於電弧發生的條件一定要距離夠短,因此若你家的插座在正常使用時,會發生火花或滋滋作響的聲音,那表示您的插座裡面應該有零件鬆脫了,有了間隙才讓會電弧發生,建議您應請人盡速更換插座。

氣體放電種類

事實上,電弧的發生無所不在,從居家的毛衣到變電所都會發生,我們先來看這張表。它表示在氣體環境中,施予電壓與產生電流的曲線,它分為三部分。最左邊的部分稱為Dark discharge,穿過空氣的電流來自於少量的離子,電流非常小。當我們繼續加壓時,氣體的絕緣特性瞬間崩潰,於是電流突然升高電壓下降,就成為中間藍色的曲線,稱為Glow discharge,這裡的放電可以看得到光線,因而得名,霓虹燈與日光燈就是以此原理製成。有些應用是低電壓高電流(大約40V/60A上下),這就是電焊所使用的範圍,若電壓變成幾萬伏特時,更大的電弧就產生了,通常在供電系統的斷路器會看到,這種電弧需要特別作防範,若失控的話足以產生火災。

arc 此特性曲線摘自https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases

電弧實驗

下方就是人為刻意製造出來的電弧,他用了馳返式變壓器 (Flyback transformer)來產生高壓,這種變壓器存在於以前的映像管電視內,因為映像管需要這種高壓變壓器來產生電子束產生畫面。但是這種實驗一定要很清楚自己在做甚麼,否則會有被嚴重電擊的危險。

arc圖片摘自Les Incroyables Experiences

特高壓電弧

由於電弧只在已離子化的氣體中發生,因此只有當帶電導體彼此接近時,才看得到電弧,而且電壓越高產生電弧所需的距離就越遠。所以像高壓變電所將輸電線切斷的瞬間,所發生的電弧就相當恐怖了,我們來看一段影片,我想這應該有34萬伏特吧。所以在變電所的斷路器與開關,絕對不像家裡的開關一樣,輸電線之間的距離是一定要有安全考量的。

若有人對於變電所這種高壓設備有興趣,可以參閱台電的這篇文章特高壓開關設備維護與測試介紹,因為所謂的斷路器與開關,到了十幾萬伏特的規模,一切都變得不一樣了。

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