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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）。  根据刚才电场强度的第一种定义，我们算出，220伏交流电压，为了击穿空气所需要的最小距离是103微米，也就是比0.1毫米稍大。这在普通的刻度尺上几乎分辨不出来。可实际生活中发生击穿的距离却能远大于103微米，甚至有可能是几毫米，至于原因我们随后再介绍。 刚才我们一直用“击穿”这个词，这是一个怎样的过程呢？ 空气主要由氮气和氧气组成，它们在常温下都是非常稳定的气体，不会分解，也不会电离。但如果在某个小区域中电场足够强，氧气和氮气就不再稳定了，原子核外的电子就会在电场拉扯的作用下脱离原子核的束缚，往电压较高的方向流动，这样的过程就是电离。如果电场强度大，大量的电子挣脱束缚朝一个方向跑出去，原本不导电的空气就形成了一个导电的通路，这就是电场击穿空气。注意，这时电火花尚未出现。 我们以氧气为例说说电离的过程。氧气分子是三电子共价键结合在一起的，这些参与形成共价键的电子能量状态比其他电子低，它们想跑出去需要吸收很多能量，这并不容易。而想让除共价键外的四周电子挣脱原子核的束缚相对简单。在有足够强的电场存在时，氧气、氮气分子中那些没被束缚太紧的电子首先挣脱，飞了出去，而且因为在飞行过程中还被电场继续牵拉，所以飞行速度还在增加，有时候就会撞击到其他气体分子上，把本来稳定运行的气体分子周围的电子也撞出来。 这样，在电场和自由电子撞击的双重作用下，大量电子就一级级地被吸出来、撞出来，而且顺着同一个方向运动，这时一条可以导电的通路就形成了。也就是说，这时候空气被击穿了。注意，这时电火花仍然没有出现。 那些飞出去的电子有可能被远处的气体分子捕获，重新抓回到身边，这个过程电子就从高能量状态坠落到低能量状态，能量是守恒的，于是顺带着放出一份光子，也就是说当电子被俘获后会向外辐射电磁波（见图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。 解读有很多事情是科学无法给出解释的。但是，凡是科学可以解释的事情，它给出的解释就是最可靠的，比任何其他文化给出的解释都可靠。 电火花可以被解释，是因为所有电器、供电设备、防护方法都是在一套完整的电学理论下设计出来的。这套电学理论就是麦克斯韦方程组。很多人压根没见过什么麦克斯韦方程组，但他们至少懂得怎么计算电压、电流和电阻，所以会觉得电学领域也许像很多人文学科那样，理论百花齐放、百家争鸣。其实并非如此。欧姆定律、基尔霍夫定律，甚至图论等等，虽然样子已经不是微分方程了，但都是麦克斯韦方程组在某些特殊参数下简化得到的，它们的出现只是为了让工程师在实际工作中可以快速计算出结果。分析系统出现的意外，以及系统的副作用、故障时，也会用到麦克斯韦方程组。电火花在大部分场景下属于副作用，但因为它对设备和人体可能造成伤害，所以工程师对它也有详细的分析，这就是为什么对电火花问题可以解释得如此到位的原因。 哪系统是科学无法解释的呢？它们大都拥有以下特征：目标不易测量，结果受多种因素叠加的影响，而且叠加效果并不是线性的。那些社会学、心理学、经济学现象都是这样，而研究者一旦有了分析非线性系统的方法，这些学科也会出现突飞猛进的发展。 |
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