И увидел во сне Иаков: вот, лестница стоит на земле, а верх её касается неба. Ангелы восходят и нисходят по ней. А у физиков, по этой лестнице ходит плазма, причем только в одну сторону — вверх, там она гаснет, а потом зажигается внизу заново. Вообще, воздух — самый популярный в электротехнике изолятор. От чего зависит его диэлектрическая прочность и как ее пробить — одни из главных вопросов для размышлений у специалистов по электробезопасности.
Условия пробоя
Сама дуга зажигается из-за пробоя воздуха высоким напряжением. Напряжение, требуемое для пробоя определяется по формуле Пашена из расстояния, давления и состава газа. Зависимость нелинейная и для пробоя 7,5 микрометров воздуха требуется в 430 кВ на см, а для пробоя 1 метра воздуха 34 кВ на см. По этой формуле в моей лестнице получилось 34 кВ на 6 мм расстояния в нижней точке. Это очень высокая оценка. Так получилось потому что формула Пашена оценивает сам газ, а не его примеси. В бытовом же воздухе основные проводящие агенты — это вода и загрязнение.
В стандартах на безопасность, где принимаются во внимания все пессимистичные поправки, расстояние в 5,5 мм может быть использовано как воздушная изоляция для напряжения до 6 кВ без образования пробоя. В итоге, я бы оценил свой самодельный источник в 6-10 кВ.
Однако, после того как дуга зажглась, она поднимается выше, где расстояние существенно больше, а напряжение меньше.
Почему требования по напряжению дуги ослабляется?
В моем варианте лестницы используется постоянное напряжение, то есть до верха доходит та же самая дуга, которая зажглась внизу. Но можно использовать и импульсное, тогда дуга будет постоянно гаснуть и зажигаться, значит требования существования пробоя ослабляются не только для конкретной дуги, а для некого объема воздуха между электродами.
Так происходит, потому что диэлектрическая прочность воздуха падает при его ионизации поджигом и второму импульсу пробиться гораздо проще. Вообще, все диэлектрики ненадолго сохраняют проводящий канал после пробоя. Воздух и масло через секунду восстановят свои свойства, а твердая изоляция повреждается навсегда. На поверхности печатных плат из пыли и грязи может образоваться проводящая дорожка, которая тоже сама по себе не исчезнет, но может быть удалена при техническом обслуживании прибора. Перед попаданием любого электроприбора на потребительский рынок все эти ситуации моделируется в лаборатории: все воздушные зазоры и твердую изоляцию проверяют напряжением, защиту от пыли, обеспечиваемую оболочками проверяют в камере с тальком, а устойчивость плат к образованию проводящих дорожек испытывают загрязняющим составом под напряжением.
Почему дугу вообще тянет вверх?
Так происходит с любой плазмой — от пламени свечи до факела, образующегося при аварии на линиях электропередач. Дело в температуре. Горячий газ менее плотный, поэтому вес окружающей среды выталкивает его вверх. Для жидкостей этот принцип называют силой Архимеда. Температура в макро масштабе это скорость в микромире, так что нагретые молекулы газа обладают большим импульсом и расталкивают соседей, отсюда и снижение плотности.
Какой параметр источника отвечает за нагрев и цвет дуги?
Это рабочий ток. Чем больший ток способен выдать блок питания, тем выше будет температура, а цвет будет стремиться к от фиолетового к оранжевому, а потом к бело-голубому.
Почему источник будет давать меньше напряжения после пробоя?
У источников питания есть своя «выносливость», которую называют вольт-амперной характеристикой. Идеальный источник дает номинальное напряжение при любой нагрузке, то есть при любом токе. А реальный нет. Есть очень выносливые источники, например, генераторы на электростанциях с «жесткой» вольт-амперной характеристикой. А у маломощных драйверов, батарей и просто конденсаторов такая характеристика «мягкая». Это как раз мой случай, я использовал батареи типа 18650 в качестве источника энергии. До пробоя воздуха схема выдавала максимальное напряжение. В момент пробоя сквозь плазменную дугу начинает идти ток, что приводит к падению напряжения. Поэтому, можно заметить, что повторно дуга не всегда зажигается.
Рекомендации по самостоятельной сборке
Устройство состоит из двух медных «усов», которые я сделал, сняв изоляцию с одножильного провода большого сечения, источника постоянного напряжения, который я сделал из четырех последовательно соединенных батарей типа 18650, пуш-пул генератора (ZVS-драйвер) и трансформатора от телевизора ТДКС. Подробную инструкцию с разбором возможных трудностей добавлю чуть поуже. Схема не сложная и недорогая, доступна каждому, однако подходящий трансформатор можно купить только с рук и тут большую роль сыграет удача. Удачи вам в экспериментах!
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал
