电蚊拍噼啪一声,在它们的世界里发生了什么?
图片:John Fowler / CC BY-SA电蚊拍的噼啪声是如何发出的?
是电压击穿空气形成电弧发出的声音。
一般来说,电蚊拍都会有 3 层金属网,其中靠外的两层较疏的金属网是同极的,中间一层是另一极。
当蚊虫处在内外两层金属网之间时,两极发生放电,把蚊虫电死。
电蚊拍的电压是很高的,应该有上千伏。(因为放电量很小,所以一般来说不会对人造成伤害,但足以杀死蚊蝇。)
内外网的间距大约在 5mm 左右,此时电压不足以把之间的空气击穿,两极可以认为是绝缘的。因此不会时刻发生放电。
在蚊虫进入两层网之间时,由于蚊虫的身体导电性很好,几乎可以看作导体[1],此时相当于两电极之间的空气层变薄了。在薄到一定程度时,电压把空气击穿了,形成电弧放电。
击穿的意思是,空气分子在极强的电场下发生了电离。
空气被电离的时候发生了什么呢?
空气中的氮分子氧分子都是电中性的。在电场下,分子的正电荷中心和负电荷中心发生了分离,电场越强,分离得越显著。
直到外电场强到使电子可以完全脱离原子实的库仑吸引。此时分子就不复存在了,只有自由电子和离子。
(空气的击穿场强大约为 30kV/cm。如果取电蚊拍的两极电压为 3 千伏,那在空气层厚度 1mm 左右的时候就可以被电离了。)
这个时候空气就能导电了。电蚊拍通过“外网—蚊虫的身体—电离的空气—内网”这条路,发生了放电。
电离空气放电这个过程,就叫电弧。
电蚊拍的声音和火花就是在这个过程中产生的。
就和电闪雷鸣的原理一样。
这个放电过程只持续很短的时间[2]。但空气电离产生的电弧瞬间温度可以达到 5000 摄氏度。
剧烈的热胀冷缩急速推动了周围的空气。推动的速度比音速还要快,在这个过程中空气和空气发生了非常剧烈的碰撞[3]。
正是因为此,那么一点点空气才能发出如此响亮的噼啪声。
下面以一只被电死的苍蝇的视角来回顾一下整个过程:
苍蝇一旦飞到外层疏网处,它的命运就已经无法改变了。电场会把它向内吸。
它越来越靠近内层网。在自己的身体距离内网还有 1mm 时,它就触发了电弧。
此时,如果它还有意识的话,它会感觉到很烫、感到强烈的震动几乎要把它的肢解、强光会把它的复眼闪瞎。
但实际上在这一切发生的之前一瞬,它就已经被电死了(或电晕了?)。
我这几天在老家无聊得紧,特地做实验试了一下。
声音和火花都只发生在刚刚打上苍蝇的时候。
当一只苍蝇的身体夹在两层网之间,同时接触内外网(也就是苍蝇用自己的身体连通两电极)时,按通电开关不会有剧烈的声音和火花,只有很弱的电流流过苍蝇身体的滋滋声。
(有 4 只苍蝇被我这样烤熟了。不过,不用觉得我不人道,它们早在这之前就已经死得不能再死了。)
之后,我想研究一下空气层到底还剩多厚的时候会被电蚊拍电压击穿。
拿一个螺丝刀,小心地接触内网而不接触外网。在我正准备小心翼翼地让螺丝刀和外网发生放电时,被我奶奶喝止了。
我:放心吧奶奶,我算过了,不会有危险的。
奶奶:咱家就这一个电蚊拍,被你玩坏了咋办?
我:…………
[1]更严格的物理模型是:原先上下两层金属网,中间是介电常数接近 1 的 5mm 厚的空气层。现在在其中插入了一层介电常数很大的介质(苍蝇身体)。
[2]电弧只会存在一瞬间,主要是因为电蚊拍出于安全考虑,单次放电的能量和电荷量是严格控制的。
[3]仅仅靠热胀冷缩的那一下,强度应该不足以形成这么响亮的声音。因此,我猜想我们真正听见的声音,其实是被推动的空气突破音障的声音。有兴趣的读者可以进一步研究。
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