شرارة كهربائية

الشرارة الكهربائية هي تفريغ كهربائي مفاجئ يحدث عندما يُنشئ مجال كهربائي عالي بما فيه الكفاية قناةً موصلةً للكهرباء ومؤينة عبر وسط عازل عادةً، وغالبًا ما يكون الهواء أو غازات أخرى أو مخاليط غازية. وقد وصف مايكل فاراداي هذه الظاهرة بأنها "وميض الضوء الجميل المصاحب لتفريغ الكهرباء العادية". ^{[ 1 ]}

يُنتج الانتقال السريع من حالة عدم التوصيل إلى حالة التوصيل انبعاثًا ضوئيًا قصيرًا وصوت طقطقة حاد. وتتولد شرارة عندما يتجاوز المجال الكهربائي المُطبق قوة العزل الكهربائي للوسط الفاصل. بالنسبة للهواء، تبلغ قوة العزل الكهربائي حوالي 30 كيلوفولت/سم عند مستوى سطح البحر. ^{[ 2 ]} عمليًا، يختلف هذا الرقم تبعًا للرطوبة، والضغط الجوي، وشكل الأقطاب الكهربائية (إبرية ومستوية، نصف كروية، إلخ) والمسافة المقابلة بينها، وحتى نوع الموجة، سواء كانت جيبية أو مستطيلة جيبية.

في المراحل الأولى، تتسارع الإلكترونات الحرة في الفجوة (الناتجة عن الأشعة الكونية أو الإشعاع الخلفي ) بفعل المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى انهيار تاونسند . وعند اصطدامها بجزيئات الهواء، تُنتج أيونات إضافية وإلكترونات حرة جديدة تتسارع بدورها. وعند نقطة معينة، تُصبح الطاقة الحرارية مصدرًا أكبر بكثير للأيونات. وتتسبب الزيادة الهائلة في عدد الإلكترونات والأيونات في جعل مناطق الهواء في الفجوة موصلة للكهرباء بسرعة ، في عملية تُسمى الانهيار العازل . وبمجرد انهيار الفجوة، يُصبح تدفق التيار محدودًا بالشحنة المتاحة (في حالة التفريغ الكهروستاتيكي ) أو بمقاومة مصدر الطاقة الخارجي . وإذا استمر مصدر الطاقة في تزويد التيار، ستتطور الشرارة إلى تفريغ مستمر يُسمى القوس الكهربائي . ويمكن أن تحدث شرارة كهربائية أيضًا داخل السوائل أو المواد الصلبة العازلة، ولكن بآليات انهيار مختلفة عن تلك التي تحدث في الغازات.

في بعض الأحيان، قد تكون الشرر خطيرة. فقد تتسبب في نشوب حرائق وحروق جلدية.

البرق هو مثال على الشرارة الكهربائية في الطبيعة، بينما تحدث الشرارات الكهربائية، كبيرة كانت أم صغيرة، في أو بالقرب من العديد من الأشياء التي صنعها الإنسان، سواء عن قصد أو عن طريق الخطأ في بعض الأحيان.

في عام 1671، اكتشف لايبنتز أن الشرر مرتبط بالظواهر الكهربائية. ^{[ 3 ]} وفي عام 1708، أجرى صموئيل وول تجارب باستخدام الكهرمان المدلك بقطعة قماش لإنتاج شرر. ^{[ 4 ]} وفي عام 1752، قام توماس فرانسوا داليبارد ، بناءً على تجربة اقترحها بنجامين فرانكلين ، بتكليف جندي فرنسي متقاعد يُدعى كويفييه في قرية مارلي بجمع البرق في جرة ليدن ^{[ 5 ]،} مُثبتًا بذلك أن البرق والكهرباء هما شيء واحد. وفي تجربة الطائرة الورقية الشهيرة لفرانكلين ، نجح في استخراج شرر من سحابة أثناء عاصفة رعدية.

قد تشكل الشرارات خطراً على البشر والحيوانات وحتى الجمادات. إذ يمكن للشرارات الكهربائية أن تشعل المواد القابلة للاشتعال، والسوائل، والغازات، والأبخرة. حتى التفريغات الساكنة غير المقصودة أو الشرارات الصغيرة التي تحدث عند تشغيل الأضواء أو الدوائر الكهربائية الأخرى قد تكون كافية لإشعال الأبخرة القابلة للاشتعال من مصادر مثل البنزين، والأسيتون، والبروبان، أو تركيزات الغبار في الهواء، كما هو الحال في مطاحن الدقيق أو بشكل عام في المصانع التي تتعامل مع المساحيق. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

غالباً ما تشير الشرارات إلى وجود جهد كهربائي عالٍ، أو "مجال كامن". كلما زاد الجهد، زادت المسافة التي يمكن أن تقطعها الشرارة عبر الفجوة، ومع توفر طاقة كافية، يمكن أن تؤدي إلى تفريغات كهربائية أكبر، مثل التوهج أو القوس الكهربائي . عندما يكون الشخص مشحوناً بشحنات كهربائية ساكنة عالية الجهد، أو يكون بالقرب من مصادر كهربائية عالية الجهد، يمكن أن تقفز شرارة بين الموصل والشخص، مما يسمح بإطلاق طاقات أعلى بكثير يمكن أن تسبب حروقاً بالغة، أو توقف القلب والأعضاء الداخلية ، أو حتى تتطور إلى وميض قوس كهربائي .

يمكن للشرارات الكهربائية عالية الجهد، حتى تلك ذات الطاقة المنخفضة كالتي تصدر من مسدس الصعق الكهربائي ، أن تُرهق المسارات الموصلة في الجهاز العصبي، مُسببةً تقلصات عضلية لا إرادية، أو مُؤثرةً على وظائف الجهاز العصبي الحيوية كنبض القلب. عندما تكون الطاقة منخفضةً للغاية، قد يُستهلك معظمها في تسخين الهواء فقط، فلا تستقر الشرارة تمامًا لتُشكّل توهجًا أو قوسًا كهربائيًا. مع ذلك، تُنتج الشرارات ذات الطاقة المنخفضة جدًا "نفقًا بلازميًا" عبر الهواء، يمرّ من خلاله التيار الكهربائي. تُسخّن هذه البلازما إلى درجات حرارة غالبًا ما تفوق حرارة سطح الشمس، وقد تُسبب حروقًا موضعية صغيرة. تُستخدم السوائل أو المواد الهلامية أو المراهم الموصلة عادةً عند وضع الأقطاب الكهربائية على جسم الإنسان، لمنع تكوّن الشرارات عند نقطة التلامس وإلحاق الضرر بالجلد. وبالمثل، يُمكن للشرارات أن تُلحق الضرر بالمعادن والموصلات الأخرى، مُسببةً تآكلًا أو حفرًا في السطح؛ وهي ظاهرة تُستغل في الحفر الكهربائي . تُنتج الشرر أيضاً الأوزون الذي قد يُسبب، بتركيزات عالية، ضيقاً أو صعوبة في التنفس، أو حكة، أو تلفاً في الأنسجة، وقد يكون ضاراً بمواد أخرى مثل بعض أنواع البلاستيك. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

• تفريغ كورونا
• عطل كهربائي
• قانون باشين
• الكهرباء الساكنة

• Szikrakisülés (1)...(4) شرارة كهربائية (1)...(4). مقاطع الفيديو على بوابة FizKapu (باللغة المجرية) .