فجوة الشرارة

تتكون فجوة الشرارة من ترتيب قطبين موصلين يفصل بينهما فجوة عادة ما تكون مملوءة بغاز مثل الهواء ، ومصممة للسماح بمرور شرارة كهربائية بين الموصلات. عندما يتجاوز فرق الجهد بين الموصلات جهد انهيار الغاز داخل الفجوة، تتشكل شرارة ، مما يؤدي إلى تأين الغاز وتقليل مقاومته الكهربائية بشكل كبير . ثم يتدفق تيار كهربائي حتى ينكسر مسار الغاز المؤين أو ينخفض ​​التيار إلى ما دون الحد الأدنى للقيمة المسماة "تيار الإمساك". يحدث هذا عادةً عندما ينخفض ​​الجهد ، ولكن في بعض الحالات يحدث عندما يرتفع الغاز الساخن، ويمتد ثم ينكسر خيط الغاز المؤين. عادةً ما يكون عمل تأين الغاز عنيفًا ومزعجًا، وغالبًا ما يؤدي إلى الصوت (يتراوح من صوت طقطقة شمعة الإشعال إلى الرعد عند تفريغ البرق ) والضوء والحرارة .

كانت فجوات الشرارة تستخدم تاريخيًا في المعدات الكهربائية المبكرة، مثل أجهزة إرسال الراديو ذات فجوات الشرارة ، والآلات الكهروستاتيكية ، وأجهزة الأشعة السينية . وأكثر استخداماتها انتشارًا اليوم هو في شمعات الإشعال لإشعال الوقود في محركات الاحتراق الداخلي ، ولكنها تُستخدم أيضًا في مانعات الصواعق وغيرها من الأجهزة لحماية المعدات الكهربائية من التيارات العابرة ذات الجهد العالي.

بالنسبة للهواء، تبلغ قوة الانهيار حوالي 30 كيلو فولت/سم عند مستوى سطح البحر. ^[1]

الضوء المنبعث من الشرارة لا يأتي من تيار الإلكترونات نفسه، بل من الوسط المادي الذي يتوهج استجابةً لاصطدامات الإلكترونات. عندما تصطدم الإلكترونات بجزيئات الهواء في الفجوة، فإنها تثير إلكتروناتها المدارية إلى مستويات طاقة أعلى . عندما تعود هذه الإلكترونات المثارة إلى مستويات طاقتها الأصلية، فإنها تنبعث منها الطاقة على شكل ضوء. من المستحيل أن تتشكل شرارة مرئية في الفراغ . بدون وجود مادة وسيطة قادرة على التحولات الكهرومغناطيسية ، ستكون الشرارة غير مرئية (انظر قوس الفراغ ).

تعتبر فجوات الشرارة ضرورية لعمل عدد من الأجهزة الإلكترونية.

يستخدم شمعة الإشعال فجوة شرارة لبدء الاحتراق . تعمل حرارة مسار التأين، ولكن الأهم من ذلك، الأشعة فوق البنفسجية والإلكترونات الحرة الساخنة (كلاهما يسبب تكوين الجذور الحرة التفاعلية) ^{[ بحاجة لمصدر ]} على إشعال خليط الوقود والهواء داخل محرك احتراق داخلي ، أو موقد في فرن أو فرن أو موقد. كلما زاد إنتاج الأشعة فوق البنفسجية وانتشارها بنجاح في غرفة الاحتراق، كلما تقدمت عملية الاحتراق. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تم إشعال خليط الهيدروجين والأكسجين من المحرك الرئيسي للمكوك الفضائي باستخدام شرارة إشعال. ^[2]

تُستخدم فجوات الشرارة بشكل متكرر لمنع ارتفاعات الجهد من إتلاف المعدات. تُستخدم فجوات الشرارة في مفاتيح الجهد العالي ومحولات الطاقة الكبيرة ومحطات الطاقة ومحطات الكهرباء الفرعية . يتم تصنيع هذه المفاتيح بشفرة تبديل كبيرة تعمل عن بعد بمفصلة كجهة اتصال واحدة ونابضين ورقيين يحملان الطرف الآخر كجهة اتصال ثانية. إذا تم فتح الشفرة، فقد تحافظ الشرارة على الاتصال بين الشفرة والنابض الموصل. تعمل الشرارة على تأين الهواء، والذي يصبح موصلًا ويسمح بتكوين قوس، مما يحافظ على التأين وبالتالي التوصيل. سيؤدي سلم يعقوب الموجود أعلى المفتاح إلى ارتفاع القوس وانطفائه في النهاية. قد يجد المرء أيضًا سلالم يعقوب الصغيرة مثبتة أعلى العوازل الخزفية لأبراج الجهد العالي. تسمى أحيانًا فجوات القرن. إذا تمكنت شرارة من القفز فوق العازل وإحداث قوس، فسيتم إخمادها.

غالبًا ما تُستخدم فجوات الشرارة الأصغر لحماية المعدات الكهربائية أو الإلكترونية الحساسة من ارتفاع الجهد الكهربائي . في الإصدارات المتطورة من هذه الأجهزة (تسمى مانعات أنبوب الغاز)، ^[3] تنكسر فجوة الشرارة الصغيرة أثناء ارتفاع الجهد الكهربائي غير الطبيعي، مما يؤدي إلى تحويل الارتفاع الكهربائي بأمان إلى الأرض وبالتالي حماية المعدات. تُستخدم هذه الأجهزة عادةً لخطوط الهاتف عند دخولها إلى المبنى؛ تساعد فجوات الشرارة في حماية المبنى ودوائر الهاتف الداخلية من تأثيرات الصواعق . يتم تصنيع فجوات الشرارة الأقل تطورًا (والأقل تكلفة بكثير) باستخدام مكثفات سيراميك معدلة ؛ في هذه الأجهزة، تكون فجوة الشرارة ببساطة فجوة هوائية مقطوعة بين سلكي الرصاص اللذين يربطان المكثف بالدائرة. يتسبب ارتفاع الجهد الكهربائي في حدوث شرارة تقفز من سلك الرصاص إلى سلك الرصاص عبر الفجوة التي خلفتها عملية النشر. غالبًا ما تُستخدم هذه الأجهزة منخفضة التكلفة لمنع الأقواس الضارة بين عناصر مسدس الإلكترون داخل أنبوب أشعة الكاثود (CRT). ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تعتبر فجوات الشرر الصغيرة شائعة جدًا في لوحات توزيع الهاتف ، حيث تكون كابلات الهاتف الطويلة عرضة جدًا للارتفاعات المفاجئة في التيار الكهربائي الناتجة عن ضربات البرق . تُستخدم فجوات الشرر الأكبر لحماية خطوط الطاقة .

يتم تنفيذ فجوات الشرارة أحيانًا على لوحات الدوائر المطبوعة في المنتجات الإلكترونية باستخدام مسارين مكشوفين متقاربين من لوحة الدوائر المطبوعة. هذه طريقة فعالة بدون تكلفة لإضافة حماية بدائية من الجهد الزائد للمنتجات الإلكترونية. ^[4]

تعتبر الترانسيلز والتريسيلز بدائل صلبة لفجوات الشرر للتطبيقات ذات الطاقة المنخفضة. كما تُستخدم مصابيح النيون لهذا الغرض أيضًا.

يتم استخدام فجوة الشرارة المحفزة في فلاش فجوة الهواء لإنتاج ومضات ضوئية فوتوغرافية في نطاق دون الميكروثانية.

تشع الشرارة الطاقة عبر الطيف الكهرومغناطيسي . في الوقت الحاضر، يُنظر إلى هذا عادةً على أنه تداخل غير قانوني في التردد اللاسلكي ويتم قمعه، ولكن في الأيام الأولى للاتصالات اللاسلكية (1880-1920)، كانت هذه هي الوسيلة التي يتم بها نقل الإشارات اللاسلكية، في جهاز إرسال فجوة الشرارة غير المعدل . تتضمن العديد من فجوات الشرارة اللاسلكية أجهزة تبريد، مثل الفجوة الدوارة ومبددات الحرارة ، حيث تصبح فجوة الشرارة ساخنة جدًا تحت الاستخدام المستمر بقوة عالية.

ستنهار فجوة الشرارة الكروية المعايرة عند جهد متكرر بدرجة عالية، عند تصحيحها وفقًا لضغط الهواء والرطوبة ودرجة الحرارة. يمكن أن توفر الفجوة بين كرتين قياسًا للجهد دون أي إلكترونيات أو مقسمات جهد، بدقة تبلغ حوالي 3٪. يمكن استخدام فجوة الشرارة لقياس التيار المتردد أو المستمر أو النبضات ذات الجهد العالي، ولكن بالنسبة للنبضات القصيرة جدًا، يمكن وضع مصدر ضوء فوق بنفسجي أو مصدر مشع على أحد الأطراف لتوفير مصدر للإلكترونات. ^[5]

يمكن استخدام فجوات الشرارة كمفاتيح كهربائية لأنها تحتوي على حالتين بمقاومة كهربائية مختلفة بشكل كبير. قد تصل المقاومة بين الأقطاب الكهربائية إلى 10 ¹² أوم عندما يتم فصل الأقطاب الكهربائية بالغاز أو الفراغ مما يعني أن القليل من التيار يتدفق حتى عندما يوجد جهد عالٍ بين الأقطاب الكهربائية. تنخفض المقاومة إلى 10 ^-3 أوم منخفضة عندما يتم توصيل الأقطاب الكهربائية بالبلازما مما يعني أن تبديد الطاقة منخفض حتى عند التيار العالي. أدى هذا المزيج من الخصائص إلى استخدام فجوات الشرارة كمفاتيح كهربائية في تطبيقات الطاقة النبضية حيث يتم تخزين الطاقة عند جهد عالٍ في مكثف ثم تفريغها عند تيار عالٍ. تشمل الأمثلة الليزر النبضي والمدافع الكهرومغناطيسية ومولدات ماركس والاندماج وأبحاث المجال المغناطيسي النبضي فائق القوة وتشغيل القنبلة النووية .

عندما تتكون فجوة الشرارة من قطبين كهربائيين فقط يفصل بينهما غاز، فإن الانتقال بين الحالتين غير الموصلة والموصلة يحكمه قانون باشن . في مجموعات الضغط والمسافة القطبية النموذجية، ينص قانون باشن على أن تفريغ تاونسند سيملأ الفجوة بين القطبين بالبلازما الموصلة كلما تجاوزت نسبة قوة المجال الكهربائي إلى الضغط قيمة ثابتة تحددها تركيبة الغاز. السرعة التي يمكن بها تقليل الضغط محدودة بالتدفق المختنق ، بينما زيادة المجال الكهربائي في دائرة تفريغ المكثف محدودة بالسعة في الدائرة والتيار المتاح لشحن السعة . تعني هذه القيود المفروضة على السرعة التي يمكن بها بدء التفريغ أن فجوات الشرارة ذات القطبين الكهربائيين عادةً ما يكون لها اهتزاز مرتفع . ^[6]

فجوات الشرارة المحفزة هي فئة من الأجهزة ذات بعض الوسائل الإضافية للتحفيز لتحقيق اهتزاز منخفض. والأكثر شيوعًا هو القطب الثالث، كما هو الحال في التريجاترون . يمكن تغيير جهد القطب المحفز بسرعة لأن السعة بينه وبين الأقطاب الأخرى صغيرة. في فجوة الشرارة المحفزة، يتم تحسين ضغط الغاز لتقليل الاهتزاز مع تجنب التحفيز غير المقصود. يتم تصنيع فجوات الشرارة المحفزة في إصدارات محكمة الغلق بشكل دائم مع نطاق جهد محدود وفي إصدارات مضغوطة من قبل المستخدم مع نطاق جهد متناسب مع نطاق الضغط المتاح. تشترك فجوات الشرارة المحفزة في العديد من أوجه التشابه مع الأنابيب الأخرى المملوءة بالغاز مثل الثايرترونات والكريترونات والإجنيترونات والكروساترونات .

تشبه فجوات الفراغ المحفزة، أو سبريترون ، فجوات الشرارة المحفزة في المظهر والبناء ولكنها تعتمد على مبدأ تشغيل مختلف. تتكون فجوة الفراغ المحفزة من ثلاثة أقطاب كهربائية في غلاف زجاجي أو سيراميكي محكم الغلق تم إخلاؤه. وهذا يعني أنه على عكس فجوة الشرارة المحفزة، تعمل فجوة الفراغ المحفزة في مساحة المعلمات إلى يسار الحد الأدنى لباشن حيث يتم تعزيز الانهيار عن طريق زيادة الضغط. يقتصر التيار بين الأقطاب الكهربائية على قيمة صغيرة عن طريق انبعاث المجال في الحالة غير الموصلة. يبدأ الانهيار عن طريق تبخر المادة بسرعة من قطب التحفيز أو الطلاء المقاوم المجاور. بمجرد بدء قوس الفراغ ، يتم ملء فجوة الفراغ المحفزة بالبلازما الموصلة كما هو الحال في أي فجوة شرارة أخرى. تتمتع فجوة الفراغ المحفزة بنطاق جهد تشغيل أكبر من فجوة الشرارة المحفزة المغلقة لأن منحنيات باشن أكثر انحدارًا إلى يسار الحد الأدنى لباشن مقارنة بالضغوط الأعلى. تعتبر فجوات الفراغ المحفزة أيضًا صلبة إشعاعيًا لأنها في الحالة غير الموصلة لا تحتوي على أي غاز يمكن تأينه بالإشعاع . ^[7]

تُستخدم هذه الأجهزة أيضًا كمصائد للحشرات. يتم تنفيذ القطبين الكهربائيين كشبكات معدنية توضع على مسافة بعيدة قليلاً بحيث لا يقفز الجهد. عندما تغامر حشرة بين القطبين الكهربائيين، يتم تقليل مسافة الفجوة بواسطة جسم الحشرة، كونه موصلًا، ويحدث تفريغ شراري لصعق الحشرة وحرقها.

في هذا الاستخدام، غالبًا ما يتم استخدام آلية فجوة الشرر بالاشتراك مع الطُعم، مثل الضوء، لجذب الحشرة إلى فجوة الشرر.

• مصباح القوس
• قرون مقوسة
• تفريغ كورونا
• القوس الكهربائي
• نظام الإشعال
• ملف شرارة موديل T
• قائمة مواضيع الالكترونيات
• مكبرات الصوت ذات القوس البلازمي
• رادار
• جهاز إرسال فجوة الشرارة
• شمعة الإشعال
• انتشار الشرارة
• ملف تسلا
• قوس الفراغ
• قانون باشن

فيديوهات سلم يعقوب:

• محول في نيفادا
• في منزل شخص ما