Scânteie

Scânteia este un efect luminos special care corespunde creării unei „trasee luminoase” care este generată și dispare într-un timp foarte scurt.

Clasificarea scânteilor

Există diferite tipuri de scântei, care diferă în principal prin caracteristicile geometrice ale traseului de lumină produs și prin fenomenul fizic sau chimic din care provin.

Cele mai frecvente tipuri de scântei sunt:

scântei generate de fenomene chimice;
scântei purtate de fumurile de ardere;
scântei electrice sau electrostatice;
scântei generate de fenomene optice.

Scântei generate de fenomene chimice

Acestea aparțin acestei categorii:

scântei provenite din frecarea unui material metalic, metal sau aliaj metalic, pe o suprafață rugoasă, de exemplu, în timpul operațiilor de tăiere a metalului sau la aprinderea brichetei;
scântei produse în timpul operațiilor de sudare;
scântei produse în timpul operațiunilor de decarburare a metalelor, de exemplu prin intermediul unui convertor Bessemer ;
scânteile produse de arderea prafului de pușcă , de exemplu în milestel .

În acest caz, scânteile sunt cauzate de efectuarea unor reacții chimice deosebit de rapide .

Scântei obținute prin frecare ( măcinare )
Scântei produse în timpul unei operații de sudare
Scântei produse într-un convertor Bessemer , datorită reacției chimice dintre oxigen și fontă
Scântei produse de o brichetă
Scântei produse de o millestelle

Explicarea fenomenului

Uneori, când un metal reacționează în contact cu oxigenul prezent în aer, reacția chimică are loc implicând doar entitățile moleculare care alcătuiesc partea exterioară a piesei solide.

Acest lucru se datorează faptului că pe suprafața exterioară a piesei se creează un film extern de material reacționat, în timp ce în corpul solidului materialul rămâne intact, deoarece prezența filmului extern împiedică difuzia oxigenului în interiorul materialului. . Această acoperire printr-un film protector de material oxidat se numește „pasivare”.

În timpul frecării, partea exterioară a materialului, constând din pelicula pasivantă, este îndepărtată, astfel încât corpul materialului să poată reacționa cu oxigenul din aer. Deoarece această reacție este puternic exotermă, există o „explozie” microscopică prin care niște așchii mici de metal devin incandescente din cauza creșterii ridicate a temperaturii locale și sunt proiectate la viteză mare.

Caracteristici geometrice

Scânteile de acest tip se caracterizează prin căi de lumină drepte sau parabolice mai mult sau mai puțin scurte, compatibil cu efectul forței de greutate care acționează asupra particulelor.

Observând căile luminoase ale acestor scântei, se observă că uneori la un anumit punct căile scânteilor sunt împărțite în mai multe linii drepte ca și cum ar fi „explodat” după ce au acoperit prima secțiune, într-un mod similar cu ceea ce se întâmplă pentru artificii ; cauza acestor ramificații a căilor de lumină este prezența carbonului în particule: ^[1] se transformă în gaz și expansiunea exercită o presiune ridicată în interiorul particulelor care la un anumit punct explodează împărțindu-se în mai multe fragmente. ^[1]

Aplicații

Câteva căi de lumină observabile în timpul unui test cu scânteie .

Scânteile sunt adesea folosite ca sursă de aprindere , adică pentru a iniția fenomenul de ardere . Posibilitatea de a produce scântei prin lovirea rocilor dure, cum ar fi silexul și pirita, a fost cunoscută încă din paleolitic de către hominizii care au folosit-o pentru a aprinde focul .

Din secolul al XVII-lea, scânteile au fost folosite în brichete unde scânteile sunt produse prin frecarea silexului. Aceste scântei acționează ca un declanșator pentru arderea gazului inflamabil care scapă din rezervorul mai ușor printr-o supapă.

Scânteile pot fi folosite pentru a caracteriza materialele: Culoarea și ramificațiile scânteilor sunt caracteristici deosebite ale materialului care le produce, astfel încât scânteile pot fi studiate pentru a determina natura chimică a unui material, într-un mod similar cu ceea ce se întâmplă pentru testele la flacără . Testul de caracterizare a materialelor pornind de la scântei se numește „ testul scânteii ” ^[1] și datorită cantității mici de material îndepărtat este considerat un test nedistructiv . ^[2]

Riscuri de securitate

Scânteile, care acționează ca un declanșator, prezintă riscuri speciale pentru siguranță. De fapt, incendiile sunt o consecință a prezenței unei aprinderi, a unui combustibil cum ar fi o hidrocarbură și a unui combustibil, cum ar fi oxigenul. Aceste trei elemente sunt indicate în așa-numitul „ triunghi de foc ”.

Riscuri pentru sănătate

scântei generate de sudare

Deoarece acestea sunt așchii materiale la viteză și temperatură ridicate, scânteile pot provoca deteriorarea aparatului vizual. Din acest motiv, sudorii poartă echipament de protecție individuală adecvat (căști, măști sau ochelari de protecție) pentru a proteja ochii de scânteile produse în timpul operațiilor de sudare .

Scântei purtate de vaporii de ardere

Scântei obținute în timpul arderii

Reacțiile de ardere sunt procese exoterme, adică produc căldură. Din acest motiv, în timpul arderii, gazele arse au o temperatură mai mare decât aerul înconjurător și există formarea mișcărilor convective asociate cu ridicarea acestor vapori fierbinți. În timpul ascensiunii lor, fumurile pot transporta cu ele câteva particule de cenușă incandescente produse prin ardere, cenușă care în timpul ascensiunii formează trasee de lumină ale căror caracteristici geometrice depind de regimul fluid dinamic particular. În special, viteza de creștere a particulelor incandescente este asociată cu viteza de creștere a fumului de ardere, iar traiectoriile devin din ce în ce mai multe vortex pe măsură ce turbulența fluidului crește, adică pe măsură ce crește numărul Reynolds .

În timpul ascensiunii, micile particule incandescente care produc scântei continuă să ardă până când particula își termină arderea și se stinge încet.

Scânteile astfel produse au în general o luminozitate mai mică și o traiectorie mai curbiliniară decât scânteile de natură chimică sau electrică.

În plus, scânteile aparținând acestui tip pot acționa ca un declanșator, precum scânteile generate de fenomene chimice și scântei electrice, dar din moment ce provin dintr-o combustie deja în curs, efectul lor este mai degrabă cel de propagare a combustiei.

Dispozitive de protecție împotriva scânteilor purtate de fumurile de ardere

Scântei electrice

Același subiect în detaliu: Scânteia electrică .

Exemplu de scânteie electrică: în acest caz scânteia se stabilește între două puncte cu potențial electric diferit.

Scânteia electrică și scânteia generată de particulele incandescente sunt fenomene foarte diferite, atât în ceea ce privește cauza fenomenului, cât și în ceea ce privește geometria efectului de lumină. Intr-adevar:

scânteile electrice sunt cauzate de o diferență de potențial electric existentă între perechi de puncte, prin urmare fasciculul de lumină produs trece prin „canale” cu geometrie liniară sau ramificată care unește aceste perechi de puncte;
în scânteile produse de particulele incandescente fasciculul de lumină provine de la suprafața particulelor unice; „traseul luminos” care însoțește aceste scântei este de fapt un efect optic datorat fenomenului de permanență a luminii pe retină sau în cazul fotografiilor se datorează unui timp lung de închidere a obturatorului ; scânteile de acest tip sunt fenomene chimico-fizice.

Mai mult, scânteile electrice apar în general în perioade mult mai scurte (în jurul milisecundei).

Scântei generate de fenomene optice

Scânteile care derivă din fenomenele de reflexie a luminii aparțin acestui tip. Scânteile de acest tip au o geometrie „radială”.

Exemple de acest tip sunt scânteile de diamante și scânteile care se formează pe undele mării datorită reflectării luminii solare.

Acest tip de scânteie, fiind pur și simplu un fenomen optic, nu implică în general riscuri ridicate de siguranță, în afară de orice strălucire care depinde de intensitatea luminii transmise și nu acționează ca un declanșator.