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 техни��еском 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
Это руководство для самых начинающих, опытные радиолюбители такое собирают с завязанными руками по даташиту компонентов в стихах на китайском.
Мотивация
У моего отца паяльник всегда был под рукой по исключительно практической причине - многие вещи было проще починить самому, чем купить новые или сдать в ремонт. Сейчас все наоборот: электрические компоненты стоят копейки, а самый гениальный радиолюбитель не сможет отремонтировать блок п��тания сохранив уровень безопасности китайского завода. Практической пользы от электрических самоделок сейчас нет. Но образовательная осталась. Понимание электричества - важный кирпичик в современной картине мира, особенно в области безопасности.
Безопасность
У экспертов по безопасности с потребителями есть негласный договор: опасная часть устройства для вас недоступна, пока вы не используете инструмент чтобы его разобрать. Несмотря на тот то далее я предлагаю вам собрать источник напряжения в тысячи вольт и создать плазму температурой в тысячи градусов, самое опасное для вас это сетевые части электроприборов. Пожалуйста, не трогайте никакие разобранные инструментом устройства, подключенные к сети. Оставьте это тем, кого не жалко - инженерам испытателям.
Индикаторная отвертка
Прежде чем потрогать несетевые части, где недавно было напряжение, ткните в них индикаторной отверткой. Когда лампочка внутри отвертки горит - через нее и вас течет ток. Но он крошечный, держаться за попку отвертки безопасно, а вот за шлиц ее держать не нужно. У отвертки два режима работы:
Индикация целостности цепи. Хотите проверить соединено ли что-то или нет - приложите концы цепи к концам отвертки, лампочка покажет наличие контакта. На людях тоже работает.
Индикация опасного потенциала. Если держаться только за попку отвертки и шлицом коснуться доступных частей, то можно понять опасны ли они: красная лампочка показывает что из исследуемой части через вас в землю стекает ток. Отвертка очень чувствительная и потенциал может быть крошечным, но в любом случае обратите внимание на цепь «подсвеченную отверткой».
ZVS-драйвер
Сердце нашей схемы - zvs-драйвер или пуш-пул генератор. Состоит из двух плеч с транзисторами, забирающими друг друга. Так как транзисторы не идеально делают свое дело, плечи гоняют между средней точкой и друг другом напряжение входа с частотой 30-100 кГц. Это ровно то зачем мы эту штуку берем: она не повышает напряжение совсем, но переводит постоянное в переменное звуковой частоты. В технике эту плату используют для питания ламп и индуктивных нагревателей. Есть варианты, питающиеся от сети, их можно включить в розетку. Чаще они питаются от постоянного напряжения 12 В, а значит нам нужно будет создать источник постоянного напряжения.
Можно найти в продаже zvs-драйвер с двумя выходными контактами, с ними проще понять как что подключать: нам нужно намотать первичную обмотку на трансформатор и с двумя контактами на выходе есть только один вариант ее подключить. С тремя контактами я сразу наткнулся на проблему - они не подписаны. Логично что средняя точка в центре, но китайский гений мог ее расположить где угодно. Можно посмотреть с другой стороны платы - контакт, к которому подключена индуктивность (катушечка на плате) - и есть средняя точка. Вторая проблема - плата вообще не работает если ей не хватает напряжения или тока. 3 А и 18 В не хватило, чтобы ее запитать от лабораторного блока питания, так что я прибег к помощи батареек.
Какой драйвер выбрать на али или озоне? Отличатся они мощностью. Чем мощнее, тем меньше шансов что сгорит. Какую. Мощность задумал автор моей платы - не��звестно, маркировки об этом нет. По косвенным признакам около 150 Вт и этого хватает для опытов. 500 Вт будет более чем достаточно, а в большей мощности просто нет смысла. Моя плата похожа на эту: https://sl.aliexpress.ru/p?key=WX40Z8B В 1000 Вт категорически не верю.
Трансформатор
Для получения высокого напряжения досрочно обычного советского телевизора! Строчные трансформаторы как раз создавали высокое напряжение, чтобы разгонять электроны, летящие в экран на зрителя. Из-за того что кинескоп это готовый ускоритель частиц, для всей техники с экранами есть испытание на уровень ионизирующего изучения, хотя от современных ЖК-экранов такого быть не может. А от кинескопов могло быть. Впрочем, недостатки техники прошлого сильно облегчают радиолюбителям настоящее.
Трансформаторы бывают очень разные и для ламповых и для транзисторных телевизоров, полный разбор маркировки приведен тут: https://transformator220.ru/televizionnye/ctrochnyj-transformator-tvs.html
Для нас главное отличие - ТВС - трансформатор без выпрямителя, используя его схему можно потом усилить умножителем, ТВКС - трансформатор со встроенным выпрямителем, в комплекте с ним умножители работать не будут, зато в нем больше изоляции и выглядит надежнее.
Я использовал ТВКС, потому что он попался на али быстрее чем ТВС на Авито. Но приобретя ТВС подумаю о замене.
Главная трудность этой детали - выводы снизу не подписаны, а в схеме разобраться сложно. Есть простой метод определить, какая нога нам потребуется для опытов - поднести высоковольтный провод к каждой из ног и включить: где дуга будет больше, та нога для нас и является вторым высоковольтным контактом.
В качестве первичной обмотки удобно взять толстый многожильный повод. Ток по нему может быть существенным. Для драйвера со средней точкой нужны две обмотки рядом - мотать в одну и ту же сторону, з��крепить можно изолентой или стяжками. Сколько нужно витков? В разных гайдах можно найти рекомендации от 10 (два по 5) до 14 (два по 7). Я намотал два повода по 4 и все работает. Это параметр, которым легко экспериментировать.
Наверное, большую сложность в работе с этим компонентом создает то, что его нужно искать на руках по объявлениям. Это элемент творческого менеджмента.
Источник питания
Мне нужен был именно демонстратор для лекций, а значит вариант автономного питания подходил лучше чем блок сетевого питания. Пришлось купить 4 батарейки типа 18650, держатель для них и кнопку для включения:
батарейки: https://ozon.ru/t/KyGjADL
зарядник: https://ozon.ru/t/wewBG5o
Проблема с батарейками оказалась типичной - плюс и минус не подписаны и своеобразной - контакт в держателе периодически пропадает. Обе проблемы решает тестер. Почти на любой вопрос радиолюбитель ответит: «ну, тут нужно все прозвонить», это он не про телефоны подруг.
Батарейки в держателе включаются последовательно, как и обозначает его маркировка, пр этом напряжение батарей складывается и достигает 15 В, а ток общий, то есть не складывается, но у 18650 он и так большой.
Усы
Собственно, сама лестница в небо - это два медных уса, которые можно сделать, ободрав изоляцию с толстых одножильных медных проводов. У меня есть еще два красивых красных изолятора, но практическая польза от них минимальная: на усы не сильно греются, так как большой ток через них не течет, ну а пробой усо�� по воздуху - это ровно то что мы от них ждем.
Форма усов - это главный настроечный параметр схемы. Они должны подойти друг к другу достаточно близко, чтобы произошел пробой, но не слишком близко, иначе плазма никуда не побежит. Расстояние между усами должно увеличиваться, но не слишком резко, иначе плазма будет гаснуть преждевременно. Загибать и выравнивать усы придется чаще чем это делал Сальвадор Дали.
Так как трансформатор ТВС содержит выпрямитель, а в его составе конденсаторы, они сохраняют напряжение и после выключения схемы. Исправить это можно закоротив усы отверткой. Это тот элемент, который может неожиданно завалиться на бок и начать бить током все подряд, так что рекомендую уделить ему особое внимание и обязательно разряжать конденсаторы прежде чем его оставить на кухне, чтобы ребенку или коту не прилетело.
Известные проблемы и их решения
Все собрал по схеме, включил - ничего не работает
Поздравляю! Вы зачислены в волшебное ПТУ изучения «науки о контактах». «Ты электрик, Гарри!» Очень часто в электрических схемах контакт становится плохим и совершенно неизвестно где. Лучший способ узнать - проверить напряжение на входе и выходе всех элементов, начиная с батарейного держателя. Самые ненадежные элементы - пружинки �� пайка. У меня оба этих компонента в держателе батарей, что приводит периодически к необходимости вынимать батарейки, закладывать по одной и измерять напряжение на внешней стороне контактов: если его там нет - вынуть и вложить нормально.
Дуга меньше миллиметра
Говорить всем что размер не главное. ZVS-драйвер работает адекватно, только когда ему хватило напряжения - от 12 до 30 В и тока… Точно не знаю, но больше 3 А. Если чего-то недостаточно - может подавать признаки жизни в случайных местах, например, если отключить среднюю точку, а может и не подавать никаких. Проверить звуковую частоту на выходе тестером невозможно, поэтому придется поддавать постепенно входной мощности батареями или другим источником и смотреть что происходит.
В комнате стало сильно пахнуть озоном
Вы душнила, откройте окно. Электрическая дуга катализирует реакцию образования озона, дышать которым в закрытом помещении не рекомендуется. Продумайте вентиляцию перед опытами с высоким напряжением.
Усы шипят, а дуги нет
Поздравляю, вы открыли «люстру Чижевского»! Если напряжения на пробой не хватает, может пойти электрохимический ток - воздух ионизируется и дует положительными ионами к катоду, отрицательными к аноду (от сюда их название). Сдвиньте усы поближе.
Купил все компоненты, а собирать лень
Идущие к прокрастинации приветствуют тебя! Идея обуздать молнию зажигает мгновенно, но сразу под рукой не хватит компонентов. Придется заказывать и ждать. А когда все придет, блеск в глазах уже пройдет. Мой набор ждал своего часа в шкафу три года. Лестница Иакова заработала только когда для лекции по Вселенной «Звездных войн» появилась идея сделать демонстратор электрических ракетных двигателей. Лестница - промежуточный наглядный этап схемы, на котором уже можно показать основные особенности электрического космостроения.
Автор статьи - физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал
