電火花是怎么產(chǎn)生的？

插座上的電火花您一定見到過。電火花只在插拔插頭時(shí)出現(xiàn)，并伴有“啪”的一聲。這一現(xiàn)象在幾十年前的《十萬個(gè)為什么》里就有說明，可時(shí)至今日也少有文章可以把這一現(xiàn)象解釋清楚。我們將從電子工程師的角度來看看電火花到底是怎么回事，以及如何避免。

不知道大家注意過沒有，不論是十幾元還是上百元的插座，都免不了出現(xiàn)電火花，所以不要以為這只發(fā)生在廉價(jià)產(chǎn)品上。簡單來說，這是由于空氣被較高的電場擊穿后產(chǎn)生的。擊穿空氣并不要求很高的電壓，只是要求較高的電場強(qiáng)度。有人做過測試，在室溫條件、干燥空氣、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，擊穿空氣所需的電場強(qiáng)度是300萬伏/米。

電場強(qiáng)度的單位在生活中不常用，人們常用兩種方式來對電場強(qiáng)度進(jìn)行描述：第一種是單位距離內(nèi)電壓的高低，單位距離內(nèi)電壓越高，這個(gè)區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度越大；第二種是單位電荷在電場中受力的大小，力越大電場強(qiáng)度越大。

我們假設(shè)拿在手中沒有接通的國標(biāo)插頭電壓與大地相同，則插座左、右兩個(gè)插孔會(huì)和中間的插頭產(chǎn)生0～311伏的電壓差（220伏只是交流電的有效值，最高值還需要乘以

）。中間的插孔因?yàn)槭堑鼐€，所以和我們手中的電壓相同。電火花只可能出現(xiàn)在左右兩側(cè)的插孔中（見圖1）。

根據(jù)剛才電場強(qiáng)度的第一種定義，我們算出，220伏交流電壓，為了擊穿空氣所需要的最小距離是103微米，也就是比0.1毫米稍大。這在普通的刻度尺上幾乎分辨不出來。可實(shí)際生活中發(fā)生擊穿的距離卻能遠(yuǎn)大于103微米，甚至有可能是幾毫米，至于原因我們隨后再介紹。

剛才我們一直用“擊穿”這個(gè)詞，這是一個(gè)怎樣的過程呢？

空氣主要由氮?dú)夂脱鯕饨M成，它們在常溫下都是非常穩(wěn)定的氣體，不會(huì)分解，也不會(huì)電離。但如果在某個(gè)小區(qū)域中電場足夠強(qiáng)，氧氣和氮?dú)饩筒辉俜€(wěn)定了，原子核外的電子就會(huì)在電場拉扯的作用下脫離原子核的束縛，往電壓較高的方向流動(dòng)，這樣的過程就是電離。如果電場強(qiáng)度大，大量的電子掙脫束縛朝一個(gè)方向跑出去，原本不導(dǎo)電的空氣就形成了一個(gè)導(dǎo)電的通路，這就是電場擊穿空氣。注意，這時(shí)電火花尚未出現(xiàn)。

我們以氧氣為例說說電離的過程。氧氣分子是三電子共價(jià)鍵結(jié)合在一起的，這些參與形成共價(jià)鍵的電子能量狀態(tài)比其他電子低，它們想跑出去需要吸收很多能量，這并不容易。而想讓除共價(jià)鍵外的四周電子掙脫原子核的束縛相對簡單。在有足夠強(qiáng)的電場存在時(shí)，氧氣、氮?dú)夥肿又心切]被束縛太緊的電子首先掙脫，飛了出去，而且因?yàn)樵陲w行過程中還被電場繼續(xù)牽拉，所以飛行速度還在增加，有時(shí)候就會(huì)撞擊到其他氣體分子上，把本來穩(wěn)定運(yùn)行的氣體分子周圍的電子也撞出來。

這樣，在電場和自由電子撞擊的雙重作用下，大量電子就一級級地被吸出來、撞出來，而且順著同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)一條可以導(dǎo)電的通路就形成了。也就是說，這時(shí)候空氣被擊穿了。注意，這時(shí)電火花仍然沒有出現(xiàn)。

那些飛出去的電子有可能被遠(yuǎn)處的氣體分子捕獲，重新抓回到身邊，這個(gè)過程電子就從高能量狀態(tài)墜落到低能量狀態(tài)，能量是守恒的，于是順帶著放出一份光子，也就是說當(dāng)電子被俘獲后會(huì)向外輻射電磁波（見圖2）。

有些電磁波人眼是可以看到的，比如波長在400～760納米的電磁波。能不能看到光、光是什么顏色的，完全取決于電子從高能量狀態(tài)跳到低能量狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)能量狀態(tài)的差距，這個(gè)道理具體可以參考光電效應(yīng)。直到這一步，也就是電子被俘獲后，我們才看到了電火花出現(xiàn)。

同時(shí)我們還聽到了聲音，這是由于短時(shí)間內(nèi)放出的大量的光和電磁波加熱了周圍的空氣，空氣受熱后會(huì)迅速膨脹，這種膨脹積壓周圍空氣，一波一波地傳出去，就是聲波了。最終我們會(huì)聽到“啪”的一聲。

“啪”的一聲出現(xiàn)時(shí)，空氣更容易被擊穿，這是因?yàn)榭諝獾臏囟戎翱赡苁?0攝氏度，但發(fā)生電火花處的溫度可能達(dá)幾百攝氏度。在這種高溫下氧氣和氮?dú)夥肿油鈬碾娮由踔敛恍枰妶龃嬖冢瑑H憑熱運(yùn)動(dòng)就可以擺脫原子核的束縛而發(fā)生電離。所以電火花出現(xiàn)后，更加劇了后續(xù)電火花的產(chǎn)生。

由于我們最終還是要把插頭插進(jìn)插孔，所以當(dāng)它們完全接觸以后，電火花就不再產(chǎn)生了。

其實(shí)電火花產(chǎn)生和閃電有很多相似之處。不同之處在于插座總是在源源不斷地提供電荷，有保持電壓恒定的趨勢，而云層中一旦出現(xiàn)了閃電，一大部分電荷就被消耗掉了，只能等待云層、雨滴繼續(xù)摩擦產(chǎn)生新的電荷，直到電場強(qiáng)度超過300萬伏/米才會(huì)出現(xiàn)下一次閃電。

前文中我們介紹了電火花產(chǎn)生的原因，但也提到，現(xiàn)實(shí)中的電火花會(huì)在距離遠(yuǎn)大于0.1毫米時(shí)產(chǎn)生，這又是為什么呢？這是由材料表面凹凸不平的缺陷造成的。一個(gè)光滑的平面和一個(gè)凹凸不平的平面本質(zhì)區(qū)別就在于：曲率不同。電火花會(huì)最先出現(xiàn)在曲率大的地方。即便廠家在生產(chǎn)中工藝合理，表面沒有出現(xiàn)坑坑洼洼，插頭金屬的拐彎處依然是曲率較高的地方。

下面的知識(shí)可能略微超過高中物理范疇了。在圖3中，A和B是兩個(gè)銅球，A半徑為1厘米，B半徑為3厘米，用導(dǎo)線連接，所以它們無論什么時(shí)候電壓都相等。兩個(gè)球上電荷數(shù)量之比等于半徑之比，即1∶3。B球表面積是A球的9倍，所以A球上的電荷密度是B球的3倍，利用高斯定律可以算出電荷密度高的地方電場強(qiáng)度大。

體積較小的A球，我們可以把它看作那些表面的缺陷，或者是插頭邊緣、拐彎處，而那個(gè)體積較大的B球，我們可以把它看作規(guī)整的平面。當(dāng)然，我畫的球不夠大，當(dāng)它的半徑足夠大時(shí)，從某個(gè)區(qū)域截取一段看就近似是一個(gè)平面了。再經(jīng)過一些推導(dǎo)，我們就能得到最終的結(jié)論：等電壓體上不同位置的電場強(qiáng)度正比于那個(gè)位置的曲率。

如果你仔細(xì)看看那些凹凸不平的表面，就會(huì)發(fā)現(xiàn)那些缺陷處的曲率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它所在平面的曲率，前者也許有后者的幾十倍，所以同樣的插頭上，在這些缺陷點(diǎn)處的電場強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于周圍平面，這時(shí)插頭和插座距離幾毫米甚至更遠(yuǎn)時(shí)我們都可以看見電火花出現(xiàn)了，遠(yuǎn)超過理論上的0.1毫米。

以前有很多廠商生產(chǎn)的插頭是鍍鎳圓柱形的，表面光滑。但是在新國標(biāo)中，只有2頭插頭還可以采用這種形狀。圓柱形各處的曲率相同，可以很好地避免邊緣曲率大的問題。不過，這種插頭和插孔的銅片接觸不容易做到貼合緊密，所以只用在一些小功率電器上，所有3頭的插頭都必須采用圖1中的扁形樣式。

電火花不只會(huì)在插座上產(chǎn)生，在我們脫毛衣、梳頭、摸門把手時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。那時(shí)的電場強(qiáng)度也會(huì)很高，但不會(huì)致死。致死的原因在于電流通過心臟的時(shí)間和強(qiáng)度，毛衣的靜電荷釋放過后由于沒有外界電荷繼續(xù)補(bǔ)充，所以從放電一開始能量就在驟減。相比之下，插頭上的電火花在產(chǎn)生時(shí)，插座另一端可以源源不斷地供給電荷用來放電，產(chǎn)生火花，所以插座上產(chǎn)生電火花時(shí)被電離的通道上有較大的電流。加熱空氣的范圍如果非常大，你的手也許會(huì)被燒到。即便沒有燙到手，有時(shí)你都會(huì)發(fā)現(xiàn)金屬插頭上有被電火花打出的燒糊了的坑點(diǎn)，所以電火花有時(shí)候很危險(xiǎn)。

比較遺憾的是，電火花很難避免。如果你非常害怕見到它，可以先給排插斷電，把插頭插好后再合上開關(guān)。雖然給排插合上開關(guān)的過程一樣會(huì)產(chǎn)生電火花，但是因?yàn)檫@時(shí)有排插外殼或塑料按鈕的保護(hù)，所以不會(huì)有什么危險(xiǎn)，也見不到電火花。

一些較高級的排插會(huì)擁有比較完善的保護(hù)功能，比如防浪涌電流、防雷擊、多級EMI濾波，等等，但這些都和預(yù)防電火花沒有太大關(guān)系。以上就是電火花產(chǎn)生的細(xì)節(jié)。

解讀

有很多事情是科學(xué)無法給出解釋的。但是，凡是科學(xué)可以解釋的事情，它給出的解釋就是最可靠的，比任何其他文化給出的解釋都可靠。

電火花可以被解釋，是因?yàn)樗须娖?、供電設(shè)備、防護(hù)方法都是在一套完整的電學(xué)理論下設(shè)計(jì)出來的。這套電學(xué)理論就是麥克斯韋方程組。很多人壓根沒見過什么麥克斯韋方程組，但他們至少懂得怎么計(jì)算電壓、電流和電阻，所以會(huì)覺得電學(xué)領(lǐng)域也許像很多人文學(xué)科那樣，理論百花齊放、百家爭鳴。其實(shí)并非如此。歐姆定律、基爾霍夫定律，甚至圖論等等，雖然樣子已經(jīng)不是微分方程了，但都是麥克斯韋方程組在某些特殊參數(shù)下簡化得到的，它們的出現(xiàn)只是為了讓工程師在實(shí)際工作中可以快速計(jì)算出結(jié)果。分析系統(tǒng)出現(xiàn)的意外，以及系統(tǒng)的副作用、故障時(shí)，也會(huì)用到麥克斯韋方程組。電火花在大部分場景下屬于副作用，但因?yàn)樗鼘υO(shè)備和人體可能造成傷害，所以工程師對它也有詳細(xì)的分析，這就是為什么對電火花問題可以解釋得如此到位的原因。

哪系統(tǒng)是科學(xué)無法解釋的呢？它們大都擁有以下特征：目標(biāo)不易測量，結(jié)果受多種因素疊加的影響，而且疊加效果并不是線性的。那些社會(huì)學(xué)、心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)現(xiàn)象都是這樣，而研究者一旦有了分析非線性系統(tǒng)的方法，這些學(xué)科也會(huì)出現(xiàn)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。