למה הזרם מפסיק ?

אחד ה"מיתקנים" החשמליים היותר פשוטים הם, כנראה, המפסקים.

מפסק הוא בסך הכל שתי פיסות מתכת שכאשר הן נוגעות זו בזו יכול הזרם החשמלי לזרום דרכן וכאשר מזיזים אחת מהן נוצר ביניהן מרווח אוויר ה"עוצר" את הזרם.

למה בעצם הזרם במעגל נפסק כאשר פותחים את המפסק ?

או לחילופין למה שלא ימשיך ויזרום דרך האוויר שבין מגעי המפסק ?

ניתן לשים לב כי במקרים רבים יש זרם חשמלי הזורם ללא כל בעיה דרך מרווח של אוויר. זהו הניצוץ, או כפי שהוא מכונה בשפה מקצועית - "התפרקות חשמלית".

בריתוך חשמלי, למשל, יוצרים ניצוץ בין אלקטרודת הריתוך לבין החפץ המרותך. במצית המכונית נוצר ניצוץ המצית את אדי הדלק .

כל אותם ניצוצות הם ביטוי לזרם חשמלי, העובר דרך מרווח של אוויר. מדוע שלא ייווצר ניצוץ דומה בין מגעי המפסק?

התשובה היא שניצוץ כזה אכן נוצר (אם תכבו מכשיר הצורך זרם גבוה, כמו תנור חשמלי, למשל, ותסתכלו בחושך על המפסק תוכלו לראות אור בהיר המבזיק מתוכו. זהו הניצוץ שנוצר בזמן הפסקת הזרם). הניצוץ הזה נוצר לא רק במפסקים ידניים, אלא גם בנתיכים, מפסקים חצי אוטומטים, ממסרי פחת ובעצם כמעט בכל פעם שזרם חשמלי נפסק, נוצר במקום הניתוק ניצוץ.

בתנאים מתאימים יכול הניצוץ להמשיך ולהזרים את הזרם במעגל. מצב זה בו הניצוץ ממשיך "לבעור" מהווה בעיה וסכנה. מעבר לעובדה שהמכשירים שאת פעולתם רצינו להפסיק ממשיכים לפעול, הניצוץ מחמם את המגעים שביניהם הוא "בוער" ועלול תוך זמן קצר לגרום לשרפתם ואף לשרפת הסביבה בה הם נמצאים.

למזלנו, הניצוצות הנוצרים במרבית המפסקים כבים תוך זמן קצר (פחות מעשירית שניה). הסיבה היא שבכדי שהניצוץ ימשיך ויתקיים, צריך לשרור מתח גבוה מספיק וחייב לזרום במעגל זרם בעוצמה מספקת.

עוצמת הזרם הדרושה תלויה בסוג המתכת ממנה עשויים המגעים, בצורתם, בטמפרטורה שלהם ובגורמים נוספים, אך לרוב מדובר במספר אמפרים לפחות. המתח הנדרש בכדי לקיים את הניצוץ תלוי בעיקר במרחק שבין המגעים אך הגדרתו מורכבת יותר. בזמן שאין ניצוץ, יש צורך במתח גבוה יחסית בכדי להציתו (כמה אלפי וולט לכל ס"מ מרחק בין מגעים), אך כאשר הניצוץ כבר קיים מספיק מתח נמוך בהרבה בכדי להחזיקו "בוער". במצב זה, ניתן גם להרחיק את המגעים זה מזה והניצוץ ימשיך ויבער, אם כי לא באופן יציב והוא יכבה לבסוף.

ככל שהמרחק גדול יותר הסיכוי לכיבוי הניצוץ גדול יותר והזמן הממוצע שהוא יישאר "בוער" קטן יותר .

זו הסיבה לכך שכאשר פותחים את מגעי המפסק נוצר ניצוץ. בחלקיק השניה הראשון בו מתחילים מגעי המפסק להתרחק זה מזה המרחק ביניהם הוא כה קטן שבכל מתח, אפילו נמוך ביותר, ייווצר ניצוץ. לאחר מכן, כאשר הניצוץ כבר קיים הוא אינו כבה מיד, גם לאחר שהמגעים התרחקו זה מזה. היציבות ומשך זמן הבערה של הניצוץ תלויים גם בזרם הזורם דרכו, או יותר נכון בהגבלת זרם זה. ככל שמאפשרים לזרם גדול יותר לזרום דרך הניצוץ הוא יציב יותר וכבה באופן טבעי לאחר זמן ארוך יותר. מכשירי ריתוך למשל מאפשרים הזרמת זרם של מאות אמפר ורתכים מאומנים יכולים לשמור על קשת הריתוך (הניצוץ) בוערת במשך עשרות דקות כאשר אורכה הוא מעל סנטימטר. בכדי להצית את הקשת הם נוגעים עם האלקטרודה בגוף המרותך , סוגרים לרגע את המעגל ופותחים אותו שוב ע"י הרחקת האלקטרודה.

כיבוי הניצוץ במפסק מתרחש משתי סיבות: ראשית, המכשירים המחוברים למעגל מגבילים את הזרם היכול לזרום דרך המפסק ומקטינים את המתח המגיע אליו. שנית, כאשר מגעי המפסק רחוקים מספיק, הניצוץ מפסיק להיות יציב וכבה. כל זמן שהמגעים רחוקים הוא לא יידלק מחדש. עם זאת, במשך כל אותו זמן בו בוער הניצוץ הוא עלול לחמם ולשרוף את המגעים ולכן מפסקים טובים כוללים בתוכם קפיץ אשר דואג להרחיק את המגעים זה מזה במהירות רבה ככל האפשר, כדי להקטין את משך הזמן בו בוער הניצוץ.

מה קורה לנתיך ?

במקרה של נתיך, אשר תפקידו להגן על המעגל החשמלי ולנתק את הזרם אליו בשעת תקלה, בעיית הניצוץ חמורה פי כמה.

במצב של קצר, המעגל הנוצר כולל רק את הנתיך, מוליכים (שהתנגדותם נמוכה) ומקור המתח (רשת החשמל העירונית למשל). במעגל זה אין כל אלמנט המגביל את הזרם או מקטין את המתח.

לכן, כאשר נשרף הנתיך, הזרם דרך הניצוץ יכול להגיע למאות ואף לאלפי אמפרים.

בזרמים כה גבוהים הניצוץ יציב למדי ויכול להמשיך ולבעור דקות ארוכות, בעיקר אם המרחק בין קצות חוט הנתיך השרוף הוא כסנטימטר או פחות. זרמים כה גבוהים אלו עלולים תוך מספר שניות להעלות את הטמפרטורה ולשרוף את כל האזור בו מותקן הנתיך ולמעשה גם לגרום לחימום ושרפת שאר המוליכים במעגל. נוסף לכך, "משיכת" זרם כה גבוה מרשת החשמל עלולה לגרום גם לה נזק (חימום מוליכים ושנאים למשל). בכדי לגרום בכל זאת לכיבוי הניצוץ הנוצר בנתיך ובעיקר בנתיכים המשמשים ברשת חשמל ביתית ומעלה (עירונית, ארצית וכולי) מקובל להתקין את חוט הנתיך בתוך חול דחוס. החול מקשה על הניצוץ להמשיך ולבעור משום שהוא מאריך את המסלול שעליו לעבור מצד אחד של הנתיך לצד השני. חול זה גם עמיד בטמפרטורה גבוהה, אינו עלול להישרף ואף משמש כבולע חום, המונע מגוף הנתיך ומהדקיו להתחמם.

למה חצי אוטומטי הוא כה מסובך?

למפסק החצי אוטומטי יתרון ברור על פני הנתיך - הוא רב פעמי, בניגוד לנתיך שבכל פעם שהוא נשרף יש להחליפו.

המפסק החצי אוטומטי מאפשר בלחיצת כפתור לחזור ולהדליק את האור.

יתרון זה אינו רק יתרון של נוחות אלא גם של בטיחות. החלפת הנתיך דורשת מגע עם המעגל החשמלי עצמו וקל מאוד להתחשמל תוך כדי החלפה זו (אפילו סתם ע"י הכנסת אצבע לאן שלא צריך). זו הסיבה שהחוק מחייב התקנת מפסקים חצי אוטומטים ולא נתיכים בכל לוחות החשמל הביתיים.

מצד שני, בעיית כיבוי הקשת הנוצרת בין מגעי המפסק חמורה הרבה יותר. בניגוד לנתיך שבו תיל ניתך תוך זמן קצר מאוד ולמעשה מתפוצץ, במפסק החצי אוטומטי יש להזיז באופן מכני מגע מתכתי ולהרחיקו במהירות רבה ככל האפשר ממגע אחר. מכיוון שמדובר במגע האמור להזרים דרכו זרם של 01, 15 או אף 25 אמפר, הוא צריך להיות בעל שטח ומסה גדולים יחסית. בכדי להזיזו במהירות גבוהה (או יותר נכון, להאיצו ממצב מנוחה), יש צורך בכוח רב. כח זה מתקבל מקפיץ אותו אנו "דורכים" כאשר מפעילים את המפסק.

כיבוי הניצוץ עצמו נעשה על ידי שימוש בסדרת פחיות מתכת משולבות בלוחיות מחומר קרמי הנכנסות אל בין המגעים בזמן פתיחתם.

פחיות אלו, בדומה לגרגרי החול, מגדילות את המרחק שעל הניצוץ לעבור ממגע אחד לשני וכך מכבות אותו.

כל הצרות שיש ברשת ובלוח החשמל הביתי, מתגמדות לעומת המצב ברשת הארצית, שבה המתחים הם של עשרות ומאות אלפי וולט ובכדי שהקשת תכבה יש להרחיק את מגעי המפסק למרחק של עשרות סנטימטרים זה מזה. הבעיה היא שמגעים אלו גדולים וכבדים וקשה מאוד להזיזם במהירות. במפסקים אלו כיבוי הניצוץ מבוסס על מספר שיטות:
1. שימוש במערכות מכניות גדולות וחזקות, הכוללות מנופים, קפיצים, בוכנות אוויר דחוס ועוד מערכות המאיצות את תנועת המגעים.
2. נשיפה" של אוויר דחוס המכבה את הניצוץ הנוצר.
3. במקומות בהם אין אפשרות לבנות מפסקים גדולים ואין אפשרות להרחיק את המגעים למרחק גדול מספיק זה מזה, מתקינים את המפסק בריק או בתוך סביבה שאיננה אוויר העשויה חומר אחר בו קשה יותר לניצוץ להתקיים.