把灯关掉,只要让电路断掉就可以了对吧。所以问题就来了,既然有插头这个东西,直接拔插头不就完了嘛,干嘛还要搞个开关啊?难道是为了方便省力,还是为了好看?其实都不是。设置开关的奥秘,就在开关必有的咔哒声里。不信的话,你可以把开着的电风扇或者其他比较大功率的电器的插头拔掉。看到了吗?插头离开的一瞬间带出了淡紫色的光。那个瞬间的紫光,就是空气变成一种特殊的导体——等离子体,或者说电弧时发出的光。
空气咋还能导电呢?空气要能导电,咱站在电线下面不会被电死吗?的确,一般情况下空气的确是绝缘体。但在特殊的情况下,空气也可以成为导体。闪电就是空气导电的例子。当然,这种条件很苛刻,不然输电网就不存在了,火线的电早就吱溜一下短路到零线上去了。那么,空气成为导体到底需要什么条件呢?空气等绝缘介质被电流击穿,成为导体时所需的电压叫做击穿电压。
没到击穿电压之前,空气是很好的绝缘体,可以阻拦在电网和你家电器之间,起到断电的效果。那空气的击穿电压是多少呢?气体的击穿电压由帕邢定律决定,和气体气压以及电极间距(电网和开关金属接触点的间距)有关。一般来说,气压越大,开关和电网接触点的间距越大,所需击穿电压就越大,空气就越不容易被击穿。反过来,气压很小,接触点间距很小,所需击穿电压就不需要这么大了。插拔插头,或者按下开关时就是这种情况。
在插头离开插座的瞬间,电网的火线和插头之间距离很小,而且只有少量的空气,此时电网电压超过了空气的击穿电压,空气就成为电弧开始导电。当你插入插头,或者暴力拉出正在运行的电器插头时看到的紫光,就是氧气(淡紫色)和氮气(紫红色)电弧的颜色。而当插头远离插座大概几毫米的距离的时候,家里的电压就撑不起击穿电压了,电弧就会消失。当然,输电线上的电压非常大,很容易击穿附近的空气,所以需要添加绝缘碍子这种东西。
它们就是你看到的电线上面那种一串串 UFO 形态的绝缘体了。而鼠标一类不需要很大电压的电器并不需要开关,因为它们基本不会被电压击穿产生电弧。可是,乱插拔插头,产生电弧又怎样呢?反正插头一般都有绝缘保护,手指一般也不会碰到电弧啊不是吗?要知道,电弧不光看起来吓人,还会损害电器、插座和开关,因为它的温度很高,高到能够使金属熔化变形、氧化锈蚀,并且电弧还会造成电磁干扰。
有时,在电弧反复的作用下,熔化的开关金属接触点会和电网线路焊接在一起,就类似于工业上的电弧焊,你的电脑可能就这样被封印在插座里了。所以,经常暴力插拔插头,插头和插座就可能会因为电弧而老化损坏。那应该怎样科学断电/通电呢?这就是要设置会咔哒咔哒的开关的原因了。一般来说,降低电弧伤害的操作就是让断电/通电发生得越快越好,这有利于保护电器和插座。所以,开关一般会使用弹簧驱动的肘节机构。
肘节机构是一类能够快速进行 0-1 转换的机械,它能瞬时把电路断开。因为在肘节机构里,在人手施加的机械力到达肘节机构的临界点之前,由于弹簧的张力,开关的接触部位不会移动。但是一旦到达临界点,弹簧就可以让接触点瞬时打开(或关上)。临界点时,弹簧驱动的部件的快速移动碰撞就是滴答声的来源。
因此,不管是什么样的手残党,不管小朋友暑假多无聊要按开关消磨时间,质量好的开关都会在发出咔哒声之后才断电或连上电路,减少电弧伤害。但是如果你家的开关可以缓慢移动,在发出咔哒声之前就开或者关,这说明它并没有起到应有的快速断电功能,这可能会损害开关和电器本身的寿命。当然,开关高压电路的时候,电弧引发的问题就更严重了。
所以,超过 10 万瓦特电容的开关,比如电网的开关就不能用空气当绝缘体,工程师一般会使用用真空、矿物油,或者六氟化硫等绝缘体。