电火花在什么时候出现 电火花是怎么产生的

插座上的电火花您一定见到过。电火花只在插拔插头时出现，并伴有“啪”的一声。这一现象在几十年前的《十万个为什么》里就有说明，可时至今日也少有文章可以把这一现象解释清楚。我们将从电子工程师的角度来看看电火花到底是怎么回事，以及如何避免。不知道大家注意过没有，不论是十几元还是上百元的插座，都免不了出现电火花，所以不要以为这只发生在廉价产品上。简单来说，这是由于空气被较高的电场击穿后产生的。击穿空气并不要求很高的电压，只是要求较高的电场强度。有人做过测试，在室温条件、干燥空气、标准大气压下，击穿空气所需的电场强度是 300万伏/米。电场强度的单位在生活中不常用，人们常用两种方式来对电场强度进行描述：第一种是单位距离内电压的高低，单位距离内电压越高，这个区域内电场强度越大；第二种是单位电荷在电场中受力的大小，力越大电场强度越大。我们假设拿在手中没有接通的国标插头电压与大地相同，则插座左、右两个插孔会和中间的插头产生 0 ～ 311伏的电压差（ 220伏只是交流电交流电的有效值，最高值还需要乘以 ）。中间的插孔因为是地线，所以和我们手中的电压相同。电火花只可能出现在左右两侧的插孔中（见图 1）。

图 2有些电磁波人眼是可以看到的，比如波长在 400 ～ 760纳米的电磁波。能不能看到光、光是什么颜色的，完全取决于电子从高能量状态跳到低能量状态时，两个能量状态的差距，这个道理具体可以参考光电效应。直到这一步，也就是电子被俘获后，我们才看到了电火花出现。同时我们还听到了声音，这是由于短时间内放出的大量的光和电磁波加热了周围的空气，空气受热后会迅速膨胀，这种膨胀积压周围空气，一波一波地传出去，就是声波了。最终我们会听到“啪”的一声。“啪”的一声出现时，空气更容易被击穿，这是因为空气的温度之前可能是 20摄氏度，但发生电火花处的温度可能达几百摄氏度。在这种高温下氧气和氮气分子外围的电子甚至不需要电场存在，仅凭热运动就可以摆脱原子核的束缚而发生电离。所以电火花出现后，更加剧了后续电火花电火花的产生。由于我们最终还是要把插头插进插孔，所以当它们完全接触以后，电火花就不再产生了。其实电火花产生和闪电有很多相似之处。不同之处在于插座总是在源源不断地提供电荷，有保持电压恒定的趋势，而云层中一旦出现了闪电，一大部分电荷就被消耗掉了，只能等待云层、雨滴继续摩擦产生新的电荷，直到电场强度超过 300万伏/米才会出现下一次闪电。前文中我们介绍了电火花产生的原因，但也提到，现实中的电火花会在距离远大于 0. 1毫米时产生，这又是为什么呢？这是由材料表面凹凸不平的缺陷造成的。一个光滑的平面和一个凹凸不平的平面本质区别就在于：曲率不同。电火花会最先出现在曲率大的地方。即便厂家在生产中工艺合理，表面没有出现坑坑洼洼，插头金属的拐弯处依然是曲率较高的地方。下面的知识可能略微超过高中物理范畴了。

在图 3中， A和 B是两个铜球， A半径为 1厘米， B半径为 3厘米，用导线连接，所以它们无论什么时候电压都相等。两个球上电荷数量之比等于半径之比，即 1 ∶ 3。 B球表面积是 A球的 9倍，所以 A球上的电荷密度是 B球的 3倍，利用高斯定律可以算出电荷密度高的地方电场强度大。体积较小的 A球，我们可以把它看作那些表面的缺陷，或者是插头边缘、拐弯处，而那个体积较大的 B球，我们可以把它看作规整的平面。当然，我画的球不够大，当它的半径足够大时，从某个区域截取一段看就近似是一个平面了。再经过一些推导，我们就能得到最终的结论：等电压体上不同位置的电场强度正比于那个位置的曲率。如果你仔细看看那些凹凸不平的表面，就会发现那些缺陷处的曲率远远大于它所在平面的曲率，前者也许有后者的几十倍，所以同样的插头上，在这些缺陷点处的电场强度要远高于周围平面，这时插头和插座距离几毫米甚至更远时我们都可以看见电火花出现了，远超过理论上的 0. 1毫米。以前有很多厂商生产的插头是镀镍圆柱形的，表面光滑。但是在新国标中，只有 2头插头还可以采用这种形状。圆柱形各处的曲率相同，可以很好地避免边缘曲率大的问题。不过，这种插头和插孔的铜片接触不容易做到贴合紧密，所以只用在一些小功率电器上，所有 3头的插头都必须采用图 1中的扁形样式。电火花不只会在插座上产生，在我们脱毛衣、梳头、摸门把手时也会出现。那时的电场强度也会很高，但不会致死。致死的原因在于电流通过心脏的时间和强度，毛衣的静电荷释放过后由于没有外界电荷继续补充，所以从放电一开始能量就在骤减。相比之下，插头上的电火花在产生时，插座另一端可以源源不断地供给电荷用来放电，产生火花，所以插座上产生电火花时被电离的通道上有较大的电流。加热空气的范围如果非常大，你的手也许会被烧到。即便没有烫到手，有时你都会发现金属插头上有被电火花打出的烧糊了的坑点，所以电火花有时候很危险。比较遗憾的是，电火花很难避免。如果你非常害怕见到它，可以先给排插断电，把插头插好后再合上开关。虽然给排插合上开关的过程一样会产生电火花，但是因为这时有排插外壳或塑料按钮的保护，所以不会有什么危险，也见不到电火花。一些较高级的排插会拥有比较完善的保护功能，比如防浪涌电流、防雷击、多级 EMI滤波，等等，但这些都和预防电火花没有太大关系。以上就是电火花产生的细节。

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