جرقه الکتریکی

جرقه الکتریکی یا قوس الکتریکی پدیده‌ای است که بر اثر یونیزاسیون هوا یا گازهای دیگر در حد فاصل میان دو الکترود یا دو نقطه ایجاد شده و تخلیه ناگهانی الکتریکی را به وجود می‌آورد. (مانند آذرخش یا جرقه در شمع خودرو) در واقع هنگامی که شدت میدان الکتریکی در حد فاصل میان دو نقطه به اندازه کافی بزرگ باشد، به طوری که موجب یونش هوا شود، یک کانال هدایت الکتریکی یونیزه از طریق هوا یا گازهای دیگر یا مخلوط گازها را ایجاد می‌کند که منجر به عبور جریان الکتریکی به صورت جرقه یا قوس الکتریکی از میان آن دو نقطه خواهد شد. گذر ناگهانی هوا یا یک گاز از حالت نارسانا به حالت رسانا، انتشار مختصری از نور و صدای کوبیده شدن یا ترک خوردگی ایجاد می‌کند. هنگامی که جرقه الکتریکی بوجود می‌آید از لحاظ فیزیکی ویژگی عایقی یا استقامت دی الکتریک یا در واقع مقاومت عایقی هوا یا هر گاز دیگر در هم شکسته و به اصطلاح شکست عایقی روی داده‌است. برای ایجاد شکست عایقی در هوا شدت میدان الکتریکی یا در واقع گرادیان ولتاژ در سطح دریا باید به ۳۰ کیلوولت بر سانتیمترمربع برسد. البته تجربه نشان می‌دهد که این مقدار بستگی به عواملی مانند نم نسبی یا رطوبت، فشار جوّ، شکل الکترودها (سوزنی بودن، صفحه بودن یا نیم کره ای شکل بودن) و فاصله متناظر بین الکترودها و حتّی شکل موج پتانسیل الکتریکی اعمال شده (سینوسی یا کسینوسی یا مربعی بودن) بین دو نقطه خواهد داشت. مایکل فاراده این پدیده را به عنوان «درخشش زیبای نور که در تخلیه الکتریسیته معمولی شرکت می‌کند» توصیف کرد.
در مراحل اولیه این فرایند، الکترون‌های آزاد در حد فاصل دو الکترود یا دو نقطه (از پرتوهای کیهانی یا تابش زمینه ایجاد شده‌اند) تحت تأثیر میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند. این الکترون‌ها در سر راه خود با مولکول‌های هوا یا گاز در حال یونش برخورد نموده و در اثر این برخوردها، یون‌های اضافی و الکترون‌های تازه آزاد شده ایجاد می‌شود که به نوبه خود شتاب می‌گیرند. در برخی موارد هم گرما و انرژی آن منجر به پیدایش یون‌های بیشتری خواهد شد. هنگامی که عایق بودن هوای حد فاصل دو نقطه شکسته می‌شود، تداوم جریان الکتریکی بوجود آمده، توسط مقدار بار الکتریکی موجود (در مورد تخلیه الکترواستاتیک) یا توسط امپدانس منبع تغذیه خارجی، محدود می‌شود. اگر منبع تغذیه به تأمین جریان ادامه دهد، جرقه به یک تخلیه پیوسته به نام قوس الکتریکی تبدیل می‌شود. جرقه الکتریکی همچنین می‌تواند در مایعات یا جامدات عایق رخ دهد، اما با مکانیسم‌های شکست متفاوت از جرقه در گازها. گاهی اوقات، جرقه می‌تواند خطرناک باشد. آنها می‌توانند باعث آتش‌سوزی و سوختگی پوست شوند. آذرخش نمونه‌ای از جرقه‌های الکتریکی خطرناک می‌باشد که در طبیعت رخ می‌دهد، در حالی که جرقه‌های الکتریکی، بزرگ یا کوچک، در داخل یا نزدیک بسیاری از اجسام ساخته شده توسط انسان، هم از روی طراحی و هم گاهی تصادفی، رخ می‌دهند که جرقه شمع ماشین یا فندک چراغ خوراک پزی گازی در خانه نمونه‌هایی از آنها می‌باشد.

دیرینه 

در سال ۱۶۷۱میلادی، گوتفرید ویلهلم لایبنیتس کشف کرد که جرقه‌ها با پدیده‌های الکتریکی مرتبط هستند. در سال ۱۷۰۸میلادی، ساموئل وال آزمایشاتی را با کهربا انجام داد که با پارچه مالیده شده بود تا جرقه تولید شود.

در سال ۱۷۵۲ میلادی، توما-فرانسوا دالیبار، بر اساس آزمایشی که بنجامین فرانکلین پیشنهاد کرده بود، ترتیبی داد تا یک سرباز سواره نظام فرانسوی بازنشسته به نام کویفیر در دهکده مارلی آذرخش را در بطری لیدن جمع‌آوری کند، بدین ترتیب ثابت شد که آذرخش و الکتریسیته یکسان هستند.

در آزمایش مشهورش بنجامین فرانکلین، او موفق شد تا در هنگام یک طوفان تندری به وسیلهٔ یک بادبادک که به میان ابرها فرستاده بود، جرقه‌های الکتریکی را از ابر استخراج نماید.

کاربری‌ها

منابع جرقه زنی یا جرقه زن‌ها 
جرقه‌های الکتریکی در شمع (خودرو)ها در بنزین موتور احتراق داخلی برای احتراق مخلوط سوخت و هوا استفاده می‌شود. 

تخلیه الکتریکی در شمع (خودرو) بین یک الکترود مرکزی عایق شده و یک الکترود زمین شده (در ارتباط با بدنه خودرو) که در پایه شمع قرار دارند، رخ می‌دهد. ولتاژ لازم برای تولید این جرقه توسط یک کویل یا سیم پیچ احتراق مگنتو (در ایران به‌طور عام کوئل مصطلح شده‌است) که با سیم عایق (به‌طور عام در ایران وایر مصطلح است) به شمع وصل می‌شود، تأمین می‌گردد.

شعله افروزها برای شروع احتراق (شعله‌ور نمودن) در برخی از مشعلهای (گرمایش خانه) و اجاق گازها به جای شعله پیلوت (شعله کوچکی که در کنار مشعل به ویژه مشعل آب گرم کن گازی، بخاری گازی، پکیج یا شوفاژ همیشه روشن بوده و جهت روشن نمودن مشعل اصلی در زمان لازم به کار می‌رود) به کار گرفته شده‌اند.

احتراق خودکار یک ویژگی ایمنی است که در برخی از شعله افروزها به کار می‌رود، به طوری که از راه حس کردن رسانایی الکتریکی شعله و استفاده از آن، روشن بودن یا خاموش شدن شعله مشعل را تعیین می‌کند.

این اطلاعات حس شده برای جلوگیری از ادامه جرقه زدن دستگاه جرقه زن (برای نمونه فندک برقی اجاق گاز) پس از روشن شدن مشعل یا روشن کردن مجدد شعله در صورت خاموش شدن توسط یک عامل بیرونی مانند باد، استفاده می‌شود.

ارتباطات رادیویی 
یک فرستنده جرقه شکاف از یک جرقه الکتریکی در حد فاصل یک شکاف میان دو الکترود برای ایجاد تابش الکترومغناطیسی در محدوده فرکانس رادیویی استفاده می‌کند که می‌تواند به عنوان یک فرستنده برای ارتباطات بی‌سیم استفاده شود.
فرستنده جرقه شکاف در سه دهه اول رادیو از سال‌های ۱۸۸۷ تا ۱۹۱۶ به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفتند. آنها بعدها توسط سیستم‌های مجهز به لامپ خلأ جایگزین شدند و تا سال ۱۹۴۰ دیگر برای ارتباطات رادیویی مورد استفاده قرار نگرفتند. استفاده گسترده از فرستنده‌های جرقه شکاف منجر به ایجاد نام مستعار «جرقه» برای افسر رادیوی کشتی شد.

فلزکاری 
جرقه‌های الکتریکی در انواع مختلف فلزکاری استفاده می‌شود. ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی (EDM) گاهی اوقات ماشین کاری جرقه نامیده می‌شود و از تخلیه جرقه برای حذف مواد از قطعه کار استفاده می‌کند. ماشین کاری تخلیه الکتریکی برای فلزات سخت یا فلزاتی که با تکنیک‌های سنتی ماشین کاری آنها دشوار است، استفاده می‌شود.

اسپارک پلاسما زینترینگ (SPS) یا تَف جوشی پلاسمای جرقه ای که تکنیک تف جوشی به کمک میدان (FAST) نیز گفته شده، یک تکنیک پخت است که از یک جریان مستقیم پالسی (ضربانی) استفاده می‌کند که از یک پودر با رسانا که در قالب گرافیت ریخته شده، می‌گذرد. یکی از ویژگی‌های این روش افزایش سریع دما می‌باشد. به طوری که دما می‌تواند با سرعت ۱۰۰۰ درجه کلوین بر دقیقه افزایش یابد. این در واقع روش نوینی برای متراکم سازی مواد در حجم‌های کوچک با استفاده از ارسال آنی یک پالس الکتریکی در دمای بالا می‌باشد. SPS سریعتر از روش متداول پرس ایزواستاتیک گرم است که گرمای آن توسط منابع گرمایی خارجی مانند المنت حرارتی (منظور همان نوع المنت‌ها یا سیم‌های حرارتی می‌باشد که در وسایل گرم‌کننده برقی مانند اتو، سماور یا آبگرم کن برقی به کار می‌رود) تأمین می‌شود.

تحلیل شیمیایی 
نوری را که توسط جرقه‌های الکتریکی تولید می‌شود، می‌توان جمع‌آوری کرد و برای نوعی طیف‌سنجی به نام جرقه طیف گسیلی استفاده نمود.

از لیزر پالسی با انرژی بالا می‌توان برای تولید جرقه الکتریکی استفاده کرد. طیف‌بینی فروشکست القایی لیزری (LIBS) نوعی طیف‌سنجی نشر اتمی است که از انرژی پالس بالایی لیزر برای برانگیختن اتم‌های نمونه استفاده می‌کند. LIBS همچنین طیف‌سنجی جرقه لیزری (LSS) نامیده می‌شود.

جرقه‌های الکتریکی می‌توانند برای ایجاد یون برای طیف‌سنجی جرمی نیز استفاده شوند.

تخلیه جرقه در سنجش الکتروشیمیایی نیز از طریق اصلاح سطح در محل الکترودهای کربن چاپ شده روی صفحه یکبار مصرف (SPEs) با منابع فلزی و کربنی مختلف به کار برده شده‌است.

مخاطرات 

جرقه‌ها می‌توانند برای افراد، حیوانات یا حتی اجسام بی جان مخاطره آمیز باشند. جرقه‌های الکتریکی می‌توانند مواد قابل اشتعال، مایعات، گازها و بخارها را مشتعل کنند. حتی تخلیه‌های استاتیکی سهوی یا جرقه‌های کوچکی که هنگام روشن کردن چراغ‌ها یا مدارهای دیگر رخ می‌دهد، می‌تواند برای مشتعل کردن بخارهای قابل اشتعال از منابعی مانند بنزین، استون، پروپان یا غبار غلیظ موجود در هوا، مانند غبار موجود در کارخانه‌های آرد یا به‌طور کلی در کارخانه‌های جابجایی پودر، کافی باشند.

جرقه‌های الکتریکی اغلب نشان دهنده وجود یک ولتاژ بالا یا «میدان الکتریکی قوی» هستند. هر چه ولتاژ بالاتر باشد؛ یک جرقه می‌تواند در فاصلهٔ دورتر از میان یک شکاف بجهد و با تأمین انرژی کافی می‌تواند منجر به تخلیه‌های بزرگتر مانند تخلیه تابشی یا قوس الکتریکی شود.

هنگامی که بدن شخصی با بارهای الکتریکی ناشی از ولتاژ بالا باردار می‌شود، یا در حضور منابع الکتریکی با ولتاژ بالا (برای نمونه در فاصله نزدیکی از خطوط فشار قوی انتقال انرژی برق) قرار می‌گیرد، جرقه ای می‌تواند بین هادی دارای ولتاژ بالا و شخصی که به اندازه کافی نزدیک آن است جهش نماید. به طوری که اجازه خواهد تا انرژی‌های بسیار بالاتری آزاد شده و منجر به سوختگی شدید و جدّی در اندام‌های داخلی بدن شخص مانند قلب شده و آنها را از کار انداخته و از میان ببرد یا حتی به یک قوس الکتریکی بسیار شدید تبدیل شود.

جرقه‌های سرچشمه گرفته از ولتاژ بالا، حتی آنهایی که انرژی کم دارند مانند یک تفنگ بیحس کننده یاباتون برقی، می‌توانند مسیرهای رسانای سیستم عصبی را بیش از حد بارگذاری الکتریکی کنند و باعث انقباضات غیرارادی عضلانی شوند یا در عملکردهای حیاتی سیستم عصبی مانند ریتم قلب اختلال ایجاد کنند.

هنگامی که انرژی به اندازه کافی کم باشد، بیشتر آن امکان دارد فقط برای گرم کردن هوا مصرف شود، به این ترتیب جرقه برقی هرگز به‌طور کامل به یک درخشش یا قوس تثبیت نمی‌شود. با این حال، جرقه‌هایی با انرژی بسیار کم هنوز یک «تونل پلاسما» در هوا ایجاد می‌کنند که جریان الکتریسیته می‌تواند از آن عبور کند. این پلاسما اغلب تا دماهای بیشتر از سطح خورشید گرم می‌شود و می‌تواند باعث سوختگی‌های کوچک و موضعی گردد. مایعات رسانا، ژل‌ها یا پمادها اغلب هنگام استفاده از الکترودها بر روی بدن افراد استفاده می‌شود که از ایجاد جرقه در محل تماس و آسیب به پوست جلوگیری می‌کند. (برای نمونه در پزشکی هنگام الکتروکاردیوگرافی قلب)

به‌طور مشابه، جرقه‌های الکتریکی می‌توانند باعث آسیب به فلزات و سایر رساناها شوند و سطح را از بین ببرند یا سوراخ کنند. پدیده ای که در حکاکی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جرقه‌های الکتریکی همچنین می‌توانند منجر به تولید گازازن شوند که در غلظت‌های کافی می‌تواند باعث مشکلات تنفسی، خارش یا آسیب بافتی شود و برای مواد دیگر مانند پلاستیک‌های خاص زیان‌بار باشد.

منابع 

شکست الکتریکی
فیزیک پلاسما