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 техническом 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 питания 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:

1. 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.

2. 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 - неизвестно, 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, закрепить 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

• держатель: https://market.yandex.ru/product--batareinyi-otsek-4kh-dlia-akkumuliatorov-li-ion-tiporazmera-18650-s-provodami-k-arduino-slot-batareiki-4-i-dlia-arduino/1750416700?sku=101729378196&offerid=mze8Tef4jYtQlEhmmxMSGA&hid=966823&nid=18042100&cpa=1&utm_medium=sharing

• кнопка: https://market.yandex.ru/product--klavishnyi-perekliuchatel-yl-208-01-chernyi-korpus-krasnaia-klavisha-vlagozashchishchennyi-2-polozheniia-2z-tdm/945122598?sku=101304005043&hid=16223531&nid=18061346&cpa=1&utm_medium=sharing

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 усов 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 и 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