جرقه الکتریکی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
جرقه الکتریکی بوجود آمده در فاصلهٔ هوایی دو الکترود یک شمع خودرو
جرقه‌های الکتریکی بوجود آمده در فاصلهٔ هوایی میان ابر و زمین یا دو ابر که یک آذرخش را بوجود می‌آورد

جرقه الکتریکی یا قوس الکتریکی پدیده‌ای است که بر اثر یونیزاسیون هوا یا گازهای دیگر در حد فاصل میان دو الکترود یا دو نقطه ایجاد شده و تخلیه ناگهانی الکتریکی را به وجود می‌آورد. (مانند آذرخش یا جرقه در شمع خودرو) در واقع هنگامی که شدت میدان الکتریکی در حد فاصل میان دو نقطه به اندازه کافی بزرگ باشد، به طوری که موجب یونش هوا شود، یک کانال هدایت الکتریکی یونیزه از طریق هوا یا گازهای دیگر یا مخلوط گازها را ایجاد می‌کند که منجر به عبور جریان الکتریکی به صورت جرقه یا قوس الکتریکی از میان آن دو نقطه خواهد شد. گذر ناگهانی هوا یا یک گاز از حالت نارسانا به حالت رسانا، انتشار مختصری از نور و صدای کوبیده شدن یا ترک خوردگی ایجاد می‌کند. هنگامی که جرقه الکتریکی بوجود می‌آید از لحاظ فیزیکی ویژگی عایقی یا استقامت دی الکتریک یا در واقع مقاومت عایقی هوا یا هر گاز دیگر در هم شکسته و به اصطلاح شکست عایقی روی داده‌است. برای ایجاد شکست عایقی در هوا شدت میدان الکتریکی یا در واقع گرادیان ولتاژ در سطح دریا باید به ۳۰ کیلوولت بر سانتیمترمربع برسد.[۱] البته تجربه نشان می‌دهد که این مقدار بستگی به عواملی مانند نم نسبی یا رطوبت، فشار جوّ، شکل الکترودها (سوزنی بودن، صفحه بودن یا نیم کره ای شکل بودن) و فاصله متناظر بین الکترودها و حتّی شکل موج پتانسیل الکتریکی اعمال شده (سینوسی یا کسینوسی یا مربعی بودن) بین دو نقطه خواهد داشت. مایکل فاراده این پدیده را به عنوان «درخشش زیبای نور که در تخلیه الکتریسیته معمولی شرکت می‌کند» توصیف کرد.[۲] در مراحل اولیه این فرایند، الکترون‌های آزاد در حد فاصل دو الکترود یا دو نقطه (از پرتوهای کیهانی یا تابش زمینه ایجاد شده‌اند) تحت تأثیر میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند. این الکترون‌ها در سر راه خود با مولکول‌های هوا یا گاز در حال یونش برخورد نموده و در اثر این برخوردها، یون‌های اضافی و الکترون‌های تازه آزاد شده ایجاد می‌شود که به نوبه خود شتاب می‌گیرند. در برخی موارد هم گرما و انرژی آن منجر به پیدایش یون‌های بیشتری خواهد شد. هنگامی که عایق بودن هوای حد فاصل دو نقطه شکسته می‌شود، تداوم جریان الکتریکی بوجود آمده، توسط مقدار بار الکتریکی موجود (در مورد تخلیه الکترواستاتیک) یا توسط امپدانس منبع تغذیه خارجی، محدود می‌شود. اگر منبع تغذیه به تأمین جریان ادامه دهد، جرقه به یک تخلیه پیوسته به نام قوس الکتریکی تبدیل می‌شود. جرقه الکتریکی همچنین می‌تواند در مایعات یا جامدات عایق رخ دهد، اما با مکانیسم‌های شکست متفاوت از جرقه در گازها. گاهی اوقات، جرقه می‌تواند خطرناک باشد. آنها می‌توانند باعث آتش‌سوزی و سوختگی پوست شوند. آذرخش نمونه‌ای از جرقه‌های الکتریکی خطرناک می‌باشد که در طبیعت رخ می‌دهد، در حالی که جرقه‌های الکتریکی، بزرگ یا کوچک، در داخل یا نزدیک بسیاری از اجسام ساخته شده توسط انسان، هم از روی طراحی و هم گاهی تصادفی، رخ می‌دهند که جرقه شمع ماشین یا فندک چراغ خوراک پزی گازی در خانه نمونه‌هایی از آنها می‌باشد.

دیرینه[ویرایش]

بنجامین فرانکلین در حال دریافت یک جرقه الکتریکی بین انگشت خود و کلید آویزان شده از یک رشته نخ بادبادک

در سال ۱۶۷۱میلادی، گوتفرید ویلهلم لایبنیتس کشف کرد که جرقه‌ها با پدیده‌های الکتریکی مرتبط هستند.[۳] در سال ۱۷۰۸میلادی، ساموئل وال آزمایشاتی را با کهربا انجام داد که با پارچه مالیده شده بود تا جرقه تولید شود.[۴]

در سال ۱۷۵۲ میلادی، توما-فرانسوا دالیبار، بر اساس آزمایشی که بنجامین فرانکلین پیشنهاد کرده بود، ترتیبی داد تا یک سرباز سواره نظام فرانسوی بازنشسته به نام کویفیر در دهکده مارلی آذرخش را در بطری لیدن جمع‌آوری کند، بدین ترتیب ثابت شد که آذرخش و الکتریسیته یکسان هستند.[۵]

در آزمایش مشهورش بنجامین فرانکلین، او موفق شد تا در هنگام یک طوفان تندری به وسیلهٔ یک بادبادک که به میان ابرها فرستاده بود، جرقه‌های الکتریکی را از ابر استخراج نماید.[۶]

کاربری‌ها[ویرایش]

تصویر مشعل اجاق گاز مجهز به فندک جرقه زن برقی - الکترود فندک جرقه برقی در سمت چپ نشان داده شده‌است.
فرستنده جرقه شکاف که برای ارتباط کشتی تا ساحل با برد ۱۰ کیلومتر در طول ۳ دهه اول رادیو از ۱۸۸۷ تا ۱۹۱۷ استفاده شده‌است

منابع جرقه زنی یا جرقه زن‌ها[ویرایش]

جرقه‌های الکتریکی در شمع (خودرو)ها در بنزین موتور احتراق داخلی برای احتراق مخلوط سوخت و هوا استفاده می‌شود.[۷]

تخلیه الکتریکی در شمع (خودرو) بین یک الکترود مرکزی عایق شده و یک الکترود زمین شده (در ارتباط با بدنه خودرو) که در پایه شمع قرار دارند، رخ می‌دهد. ولتاژ لازم برای تولید این جرقه توسط یک کویل یا سیم پیچ احتراق مگنتو (در ایران به‌طور عام کوئل مصطلح شده‌است) که با سیم عایق (به‌طور عام در ایران وایر مصطلح است) به شمع وصل می‌شود، تأمین می‌گردد.

شعله افروزها برای شروع احتراق (شعله‌ور نمودن) در برخی از مشعلهای (گرمایش خانه) و اجاق گازها به جای شعله پیلوت (شعله کوچکی که در کنار مشعل به ویژه مشعل آب گرم کن گازی، بخاری گازی، پکیج یا شوفاژ همیشه روشن بوده و جهت روشن نمودن مشعل اصلی در زمان لازم به کار می‌رود) به کار گرفته شده‌اند.[۸]

احتراق خودکار یک ویژگی ایمنی است که در برخی از شعله افروزها به کار می‌رود، به طوری که از راه حس کردن رسانایی الکتریکی شعله و استفاده از آن، روشن بودن یا خاموش شدن شعله مشعل را تعیین می‌کند.[۹]

این اطلاعات حس شده برای جلوگیری از ادامه جرقه زدن دستگاه جرقه زن (برای نمونه فندک برقی اجاق گاز) پس از روشن شدن مشعل یا روشن کردن مجدد شعله در صورت خاموش شدن توسط یک عامل بیرونی مانند باد، استفاده می‌شود.

ارتباطات رادیویی[ویرایش]

یک فرستنده جرقه شکاف از یک جرقه الکتریکی در حد فاصل یک شکاف میان دو الکترود برای ایجاد تابش الکترومغناطیسی در محدوده فرکانس رادیویی استفاده می‌کند که می‌تواند به عنوان یک فرستنده برای ارتباطات بی‌سیم استفاده شود.[۱۰] فرستنده جرقه شکاف در سه دهه اول رادیو از سال‌های ۱۸۸۷ تا ۱۹۱۶ به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفتند. آنها بعدها توسط سیستم‌های مجهز به لامپ خلأ جایگزین شدند و تا سال ۱۹۴۰ دیگر برای ارتباطات رادیویی مورد استفاده قرار نگرفتند. استفاده گسترده از فرستنده‌های جرقه شکاف منجر به ایجاد نام مستعار «جرقه» برای افسر رادیوی کشتی شد.

فلزکاری[ویرایش]

جرقه‌های الکتریکی در انواع مختلف فلزکاری استفاده می‌شود. ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی (EDM) گاهی اوقات ماشین کاری جرقه نامیده می‌شود و از تخلیه جرقه برای حذف مواد از قطعه کار استفاده می‌کند. ماشین کاری تخلیه الکتریکی برای فلزات سخت یا فلزاتی که با تکنیک‌های سنتی ماشین کاری آنها دشوار است، استفاده می‌شود.[۱۱]

اسپارک پلاسما زینترینگ (SPS) یا تَف جوشی پلاسمای جرقه ای که تکنیک تف جوشی به کمک میدان (FAST) نیز گفته شده، یک تکنیک پخت است که از یک جریان مستقیم پالسی (ضربانی) استفاده می‌کند که از یک پودر با رسانا که در قالب گرافیت ریخته شده، می‌گذرد. یکی از ویژگی‌های این روش افزایش سریع دما می‌باشد. به طوری که دما می‌تواند با سرعت ۱۰۰۰ درجه کلوین بر دقیقه افزایش یابد. این در واقع روش نوینی برای متراکم سازی مواد در حجم‌های کوچک با استفاده از ارسال آنی یک پالس الکتریکی در دمای بالا می‌باشد. SPS سریعتر از روش متداول پرس ایزواستاتیک گرم است که گرمای آن توسط منابع گرمایی خارجی مانند المنت حرارتی (منظور همان نوع المنت‌ها یا سیم‌های حرارتی می‌باشد که در وسایل گرم‌کننده برقی مانند اتو، سماور یا آبگرم کن برقی به کار می‌رود) تأمین می‌شود.[۱۲]

تحلیل شیمیایی[ویرایش]

نوری را که توسط جرقه‌های الکتریکی تولید می‌شود، می‌توان جمع‌آوری کرد و برای نوعی طیف‌سنجی به نام جرقه طیف گسیلی استفاده نمود.[۱۳]

از لیزر پالسی با انرژی بالا می‌توان برای تولید جرقه الکتریکی استفاده کرد. طیف‌بینی فروشکست القایی لیزری (LIBS) نوعی طیف‌سنجی نشر اتمی است که از انرژی پالس بالایی لیزر برای برانگیختن اتم‌های نمونه استفاده می‌کند. LIBS همچنین طیف‌سنجی جرقه لیزری (LSS) نامیده می‌شود.[۱۴]

جرقه‌های الکتریکی می‌توانند برای ایجاد یون برای طیف‌سنجی جرمی نیز استفاده شوند.[۱۵]

تخلیه جرقه در سنجش الکتروشیمیایی نیز از طریق اصلاح سطح در محل الکترودهای کربن چاپ شده روی صفحه یکبار مصرف (SPEs) با منابع فلزی و کربنی مختلف به کار برده شده‌است.[۱۶][۱۷][۱۸][۱۹][۲۰]

مخاطرات[ویرایش]

جرقه الکتریکی که توسط یک شوکر یا باتون برقی تولید می‌شود. در ولتاژ ۱۵۰۰۰۰ ولت، جرقه به راحتی می‌تواند در فاصله ای بزرگتر از ۲۵ میلیمتر(۱ اینچ) جهش نماید.

جرقه‌ها می‌توانند برای افراد، حیوانات یا حتی اجسام بی جان مخاطره آمیز باشند. جرقه‌های الکتریکی می‌توانند مواد قابل اشتعال، مایعات، گازها و بخارها را مشتعل کنند. حتی تخلیه‌های استاتیکی سهوی یا جرقه‌های کوچکی که هنگام روشن کردن چراغ‌ها یا مدارهای دیگر رخ می‌دهد، می‌تواند برای مشتعل کردن بخارهای قابل اشتعال از منابعی مانند بنزین، استون، پروپان یا غبار غلیظ موجود در هوا، مانند غبار موجود در کارخانه‌های آرد یا به‌طور کلی در کارخانه‌های جابجایی پودر، کافی باشند.[۲۱][۲۲]

جرقه‌های الکتریکی اغلب نشان دهنده وجود یک ولتاژ بالا یا «میدان الکتریکی قوی» هستند. هر چه ولتاژ بالاتر باشد؛ یک جرقه می‌تواند در فاصلهٔ دورتر از میان یک شکاف بجهد و با تأمین انرژی کافی می‌تواند منجر به تخلیه‌های بزرگتر مانند تخلیه تابشی یا قوس الکتریکی شود.

هنگامی که بدن شخصی با بارهای الکتریکی ناشی از ولتاژ بالا باردار می‌شود، یا در حضور منابع الکتریکی با ولتاژ بالا (برای نمونه در فاصله نزدیکی از خطوط فشار قوی انتقال انرژی برق) قرار می‌گیرد، جرقه ای می‌تواند بین هادی دارای ولتاژ بالا و شخصی که به اندازه کافی نزدیک آن است جهش نماید. به طوری که اجازه خواهد تا انرژی‌های بسیار بالاتری آزاد شده و منجر به سوختگی شدید و جدّی در اندام‌های داخلی بدن شخص مانند قلب شده و آنها را از کار انداخته و از میان ببرد یا حتی به یک قوس الکتریکی بسیار شدید تبدیل شود.

جرقه‌های سرچشمه گرفته از ولتاژ بالا، حتی آنهایی که انرژی کم دارند مانند یک تفنگ بیحس کننده یاباتون برقی، می‌توانند مسیرهای رسانای سیستم عصبی را بیش از حد بارگذاری الکتریکی کنند و باعث انقباضات غیرارادی عضلانی شوند یا در عملکردهای حیاتی سیستم عصبی مانند ریتم قلب اختلال ایجاد کنند.

هنگامی که انرژی به اندازه کافی کم باشد، بیشتر آن امکان دارد فقط برای گرم کردن هوا مصرف شود، به این ترتیب جرقه برقی هرگز به‌طور کامل به یک درخشش یا قوس تثبیت نمی‌شود. با این حال، جرقه‌هایی با انرژی بسیار کم هنوز یک «تونل پلاسما» در هوا ایجاد می‌کنند که جریان الکتریسیته می‌تواند از آن عبور کند. این پلاسما اغلب تا دماهای بیشتر از سطح خورشید گرم می‌شود و می‌تواند باعث سوختگی‌های کوچک و موضعی گردد. مایعات رسانا، ژل‌ها یا پمادها اغلب هنگام استفاده از الکترودها بر روی بدن افراد استفاده می‌شود که از ایجاد جرقه در محل تماس و آسیب به پوست جلوگیری می‌کند. (برای نمونه در پزشکی هنگام الکتروکاردیوگرافی قلب)

به‌طور مشابه، جرقه‌های الکتریکی می‌توانند باعث آسیب به فلزات و سایر رساناها شوند و سطح را از بین ببرند یا سوراخ کنند. پدیده ای که در حکاکی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جرقه‌های الکتریکی همچنین می‌توانند منجر به تولید گازازن شوند که در غلظت‌های کافی می‌تواند باعث مشکلات تنفسی، خارش یا آسیب بافتی شود و برای مواد دیگر مانند پلاستیک‌های خاص زیان‌بار باشد.[۲۳][۲۴]

منابع[ویرایش]

  1. ↑ Meek, J. (1940). "A Theory of Spark Discharge". Physical Review. 57 (8): 722–728. Bibcode:1940PhRv...57..722M. doi:10.1103/PhysRev.57.722.
  2. ↑ Faraday, Experimental Researches in Electricity, volume 1 paragraph 69.
  3. ↑ Kryzhanovsky, L. N. (1989). "Mapping the history of electricity". Scientometrics. 17 (1–2): 165–170. doi:10.1007/BF02017730. S2CID 10668311.
  4. ↑ Heilbron, J. L.; Heilborn, J. L. (1979). Electricity in the 17th and 18th centuries: a study of early Modern physics. Berkeley: University of California Press. ISBN 978-0-520-03478-5.
  5. ↑ Michael Brian Schiffer, Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment. University of California Press, p 164
  6. ↑ Faraday, Experimental Researches in Electricity, volume 1 paragraph 69.
  7. ↑ Day, John (1975). The Bosch book of the Motor Car, Its evolution and engineering development. St. Martin's Press. pp. 206–207. LCCN 75-39516. OCLC 2175044.
  8. ↑ Bill Whitman; Bill Johnson; John Tomczyck (2004). Refrigeration and Air Conditioning Technology, 5E. Clifton Park, NY: Thomson Delmar Learning. pp. 677ff. ISBN 978-1-4018-3765-5.
  9. ↑ Ed Sobey (2010). The Way Kitchens Work: The Science Behind the Microwave, Teflon Pan, Garbage Disposal, and More. Chicago, Ill: Chicago Review Press. pp. 116. ISBN 978-1-56976-281-3.
  10. ↑ Beauchamp, K. G. (2001). History of telegraphy. London: Institution of Electrical Engineers. ISBN 978-0-85296-792-8.
  11. ↑ Jameson, Elman C. (2001). Electrical discharge machining. Dearborn, Mich: Society of Manufacturing Engineers. ISBN 978-0-87263-521-0.
  12. ↑ Munir, Z. A.; Anselmi-Tamburini, U.; Ohyanagi, M. (2006). "The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method". Journal of Materials Science. 41 (3): 763. Bibcode:2006JMatS..41..763M. doi:10.1007/s10853-006-6555-2. S2CID 73570418.
  13. ↑ Walters, J. P. (1969). "Historical Advances in Spark Emission Spectroscopy". Applied Spectroscopy. 23 (4): 317–331. Bibcode:1969ApSpe..23..317W. doi:10.1366/000370269774380662. S2CID 96919495.
  14. ↑ Radziemski, Leon J.; Cremers, David A. (2006). Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy. New York: John Wiley. ISBN 978-0-470-09299-6.
  15. ↑ Dempster, A. J. (1936). "Ion Sources for Mass Spectroscopy". Review of Scientific Instruments. 7 (1): 46–49. Bibcode:1936RScI....7...46D. doi:10.1063/1.1752028.
  16. ↑ Trachioti, Maria G.; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (May 2018). "Determination of Cd and Zn with "green" screen-printed electrodes modified with instantly prepared sparked tin nanoparticles". Sensors and Actuators B: Chemical. 260: 1076–1083. doi:10.1016/j.snb.2017.10.039.
  17. ↑ Trachioti, Maria G.; Karantzalis, Alexandros E.; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (February 2019). "Low-cost screen-printed sensors on-demand: Instantly prepared sparked gold nanoparticles from eutectic Au/Si alloy for the determination of arsenic at the sub-ppb level". Sensors and Actuators B: Chemical. 281: 273–280. doi:10.1016/j.snb.2018.10.112. S2CID 106204477.
  18. ↑ Trachioti, Maria G.; Tzianni, Eleni I.; Riman, Daniel; Jurmanova, Jana; Prodromidis, Mamas I.; Hrbac, Jan (May 2019). "Extended coverage of screen-printed graphite electrodes by spark discharge produced gold nanoparticles with a 3D positioning device. Assessment of sparking voltage-time characteristics to develop sensors with advanced electrocatalytic properties". Electrochimica Acta. 304: 292–300. doi:10.1016/j.electacta.2019.03.004. S2CID 104377649.
  19. ↑ Trachioti, Maria G.; Hemzal, Dusan; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (May 2020). "Generation of graphite nanomaterials from pencil leads with the aid of a 3D positioning sparking device: Application to the voltammetric determination of nitroaromatic explosives". Sensors and Actuators B: Chemical. 310: 127871. doi:10.1016/j.snb.2020.127871. S2CID 213989070.
  20. ↑ Trachioti, Maria G.; Hrbac, Jan; Prodromidis, Mamas I. (October 2021). "Determination of 8−hydroxy−2ˊ−deoxyguanosine in urine with "linear" mode sparked graphite screen-printed electrodes". Electrochimica Acta. 399: 139371. doi:10.1016/j.electacta.2021.139371. ISSN 0013-4686. S2CID 240654358.
  21. ↑ An Introduction to Physical Science by James Shipman, Jerry D. Wilson, Charles A. Higgins, Omar Torres -- Cengage Learning 2016 Page 202
  22. ↑ Dust explosion electrostatics hazardshttps://powderprocess.net/Safety/Electrostatics_Risks_ATEX_DSEAR.html
  23. ↑ Management of Hazardous Energy: Deactivation, De-Energization, Isolation, and Lock-out By Thomas Neil McManus -- CRC Press 2013 Page 79--80, 95--96, 231, 346, 778, 780
  24. ↑ Electrostatic Hazards by Günter Luttgens, Norman Wilson -- Reed Professional and Educational Publishing Ltd. 1997
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=جرقه_الکتریکی&oldid=38456149»