有趣｜電弧、擊穿耐壓、肘節機構

把燈關掉，只要讓電路斷掉就可以了對吧。

所以問題就來了，既然有插頭這個東西，直接拔插頭不就完了嘛，干嘛還要搞個開關啊？難道是為了方便省力，還是為了好看？

其實都不是。

設置開關的奧秘，就在開關必有的咔噠聲里。

不信的話，你可以把開著的電風扇或者其他比較大功率的電器的插頭拔掉。看到了嗎？插頭離開的一瞬間帶出了淡紫色的光。

那是啥？

那個瞬間的紫光，就是空氣變成一種特殊的導體——等離子體，或者說電弧時發出的光。

空氣咋還能導電呢？空氣要能導電，咱站在電線下面不會被電死嗎？

的確，一般情況下空氣的確是絕緣體。但在特殊的情況下，空氣也可以成為導體。閃電就是空氣導電的例子。

當然，這種條件很苛刻，不然輸電網就不存在了，火線的電早就吱溜一下短路到零線上去了。

那么，空氣成為導體到底需要什么條件呢？

空氣等絕緣介質被電流擊穿，成為導體時所需的電壓叫做擊穿電壓（breakdown voltage）。沒到擊穿電壓之前，空氣是很好的絕緣體，可以阻攔在電網和你家電器之間，起到斷電的效果。

那空氣的擊穿電壓是多少呢？

氣體的擊穿電壓由帕邢定律（Paschen's law）決定，和氣體氣壓以及電極間距（電網和開關金屬接觸點的間距）有關。

一般來說，氣壓越大，開關和電網接觸點的間距越大，所需擊穿電壓就越大，空氣就越不容易被擊穿。反過來，氣壓很小，接觸點間距很小，所需擊穿電壓就不需要這么大了。插拔插頭，或者按下開關時就是這種情況。

在插頭離開插座的瞬間，電網的火線和插頭之間距離很小，而且只有少量的空氣，此時電網電壓超過了空氣的擊穿電壓，空氣就成為電弧開始導電。

當你插入插頭，或者暴力拉出正在運行的電器插頭時看到的紫光，就是氧氣（淡紫色）和氮氣（紫紅色）電弧的顏色。

而當插頭遠離插座大概幾毫米的距離的時候，家里的電壓就撐不起擊穿電壓了，電弧就會消失。

當然，輸電線上的電壓非常大，很容易擊穿附近的空氣，所以需要添加絕緣礙子這種東西。它們就是你看到的電線上面那種一串串 UFO 形態的絕緣體了。

絕緣礙子

而鼠標一類不需要很大電壓的電器并不需要開關，因為它們基本不會被電壓擊穿產生電弧。

可是，亂插拔插頭，產生電弧又怎樣呢？反正插頭一般都有絕緣保護，手指一般也不會碰到電弧啊不是嗎？

要知道，電弧不光看起來嚇人，還會損害電器、插座和開關，因為它的溫度很高，高到能夠使金屬熔化變形、氧化銹蝕，并且電弧還會造成電磁干擾（EMI）。

有時，在電弧反復的作用下，熔化的開關金屬接觸點會和電網線路焊接在一起，就類似于工業上的電弧焊，你的電腦可能就這樣被封印在插座里了。

電弧焊

所以，經常暴力插拔插頭，插頭和插座就可能會因為電弧而老化損壞。

那應該怎樣科學斷電/通電呢？

這就是要設置會咔噠咔噠的開關的原因了。

一般來說，降低電弧傷害的操作就是讓斷電/通電發生得越快越好，這有利于保護電器和插座。所以，開關一般會使用彈簧驅動的肘節機構（toggle mechanism）。

肘節機構是一類能夠快速進行0-1轉換的機械，它能瞬時把電路斷開。

按鈕式肘節機構。在彈簧的作用下，斷電/通電是瞬時發生的。兩個米色圓柱分別代表開關。

@King Mechanical

因為在肘節機構里，在人手施加的機械力到達肘節機構的臨界點（tipping point）之前，由于彈簧的張力，開關的接觸部位不會移動。但是一旦到達臨界點，彈簧就可以讓接觸點瞬時打開（或關上）。臨界點時，彈簧驅動的部件的快速移動碰撞就是滴答聲的來源。

肘節機構開關的原理。紫色杠桿是手按的部分，2個粉色圓柱分別代表開關。

因此，不管是什么樣的手殘黨，不管小朋友暑假多無聊要按開關消磨時間，質量好的開關都會在發出咔噠聲之后才斷電或連上電路，減少電弧傷害。

但是如果你家的開關可以緩慢移動，在發出咔噠聲之前就開或者關，這說明它并沒有起到應有的快速斷電功能，這可能會損害開關和電器本身的壽命。

比如這個開關就發生了嚴重的老化，在按壓啟動的時候，你可以聽到電弧的吱吱聲——

老化開關的電弧聲

@Majestic Inspection Services

當然，開關高壓電路的時候，電弧引發的問題就更嚴重了。所以，超過10萬瓦特電容的開關，比如電網的開關就不能用空氣當絕緣體，工程師一般會使用用真空、礦物油，或者六氟化硫等絕緣體。

最后來看一組令人舒適的開關肘節機構吧！

紫色是手按的部分，連接兩個粉色部件分別可以“開”和“關”。

黃色杠桿是手按的部分，粉色圓柱分別代表開和關。

紫色杠桿是手按的部分，橙色圓柱分別代表開和關。

紫色杠桿是手按的部分，兩個圓柱分別代表開和關。

黃色杠桿是手按的部分，粉色圓柱分別代表開和關。

粉色杠桿是手按的部分，藍色圓柱分別代表開和關。

粉色圓柱是手按的部分，藍色圓點分別代表開和關。

還是想不通肘節機構怎么瞬間開關的同學想想你從上課到下課的變化嘛。

不管上課睡了多久，一到下課就瞬間清醒了不是？一到上課又立馬犯困了不是？你這不就是現實版的肘節機構式體質嘛。