明明能拔插头为啥还要开关？没想到开关的咔哒声是为了这件事
本文由公众号 “把科学带回家” 提供
给孩子最好的科学教育
来源 Electrical Power Systems Technology等
编译 七君
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。
那是啥？
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（breakdown voltage）。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（Paschen's law）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/ài/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。
绝缘碍子
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（EMI）。
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。
电弧焊
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（toggle mechanism）。
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。
按钮式肘节机构。在弹簧的作用下，断电/通电是瞬时发生的。两个米色圆柱分别代表开关。
@King Mechanical
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（tipping point）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。
肘节机构开关的原理。紫色杠杆是手按的部分，2个粉色圆柱分别代表开关。
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。
比如这个开关就发生了严重的老化，在按压启动的时候，你可以听到电弧的吱吱声——
老化开关的电弧声
@Majestic Inspection Services
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。
最后来看一组令人舒适的开关肘节机构吧！
紫色是手按的部分，连接两个粉色部件分别可以“开”和“关”。
黄色杠杆是手按的部分，粉色圆柱分别代表开和关。
紫色杠杆是手按的部分，橙色圆柱分别代表开和关。
紫色杠杆是手按的部分，两个圆柱分别代表开和关。
黄色杠杆是手按的部分，粉色圆柱分别代表开和关。
粉色杠杆是手按的部分，蓝色圆柱分别代表开和关。
粉色圆柱是手按的部分，蓝色圆点分别代表开和关。
还是想不通肘节机构怎么瞬间开关的同学想想你从上课到下课的变化嘛。
不管上课睡了多久，一到下课就瞬间清醒了不是？一到上课又立马犯困了不是？你这不就是现实版的肘节机构式体质嘛。
不过瘾，请戳
给孩子最好的科学教育
转载请联系 kids@huanqiukexue.com
长按二维码关注我们
无标注图片来自网络。
动图来源和参考资料储存于石墨：
https://shimo.im/docs/9Jrqc6gdJv3YGcjK/