Разве летят искры, когда космический корабль атакуют?

Вопрос изменился, поэтому мой ответ должен измениться.

Работа всего на низком напряжении — это один из способов минимизировать искры, но не единственный.

• Спроектируйте как можно большую часть инфраструктуры (шкафы, перегородки и т. д.) из электрического изолятора, такого как пластик.

• Заземлите все. Это означает покрытие корпуса вокруг чего-либо электрического заземленным проводящим материалом. Это отводит электричество. Вы делаете это сегодня, например, с помощью выключателей света, чтобы лучше защитить пользователя. Электричество уходит куда-то кроме пользователя.

• Остановите питание с помощью сверхчувствительного выключателя типа GFCI, так что любой ток, протекающий за пределами ожидаемого для цепи, мгновенно отключается.

• Наконец, поймите, что вы не можете остановить все искры. Искры — это больше, чем ионизация воздуха. Они также являются перегретыми частями проводника и окружающих материалов . Там, где есть электричество, есть искра (пошаркайте ногами по полу и коснитесь своего друга. Возможно, ваш друг не оценит этого, но это будет очень поучительно).

Пылесосы не работают от питания 5 В по какой-то причине.

Вы ошибаетесь, говоря, что вы можете уменьшить рабочее напряжение всего, чтобы создать Шангри-Ла безыскрового энергопотребления. Освещение — хороший пример. Вы можете адекватно осветить небольшое пространство с помощью нескольких вольт, но для большого пространства требуются сотни, даже тысячи вольт, чтобы произвести необходимое количество фотонов. Помните, что светодиоды очень хорошо производят несколько фотонов высокой энергии. Вот почему они отлично подходят для уличных сигналов и стоп-сигналов. Они (по-прежнему) паршиво производят много фотонов с низкой энергией, что и требуется для окружающего освещения. Для светодиодных светильников, заполняющих комнату, требуется более 5 В.

Тогда есть все, что требует двигателя любого типа. Вы можете сбросить (образно говоря) весь ток, какой хотите, на низковольтный двигатель, и крутящий момент будет настолько низким, что вы сможете остановить его рукой. Больше напряжения, больше крутящего момента, больше возможностей двигать машину, пылесосить пол, фрезеровать металл и т. д.

И это при условии, что ваше распределение мощности не предназначено для передачи больших объемов энергии при высоких напряжениях. Причина, по которой в линиях электропередач на большие расстояния используются сотни тысяч вольт, заключается в том, что они минимизируют потери мощности и количество проводов, необходимых для передачи ампер (мощность = ток (амперы) x напряжение (вольты)). Для работы дисплея на подлокотнике вашего капитана может потребоваться только 5 В при 2 А, но всем дисплеям и всем органам управления на мостике потребуется 5 В при 100 или 1000 А. 10 000 вольт, тем самым уменьшая ток с 0,01 до 0,001 ампер и серьезно уменьшая размер провода.

И вы также получите искры.

И это игнорирует тот факт, что за этими 5-вольтовыми дисплеями могут быть высокоэнергетические каналы для работы обогревателей (высокое напряжение), вентиляторов (высокое напряжение), водяных и канализационных насосов (высокое напряжение), двигателей, оружия, связи и т. д. знает что еще. Вера в то, что все можно сбросить до 12 В или 5 В, вопиюще ошибочна.

Пример из реальной жизни. Когда- то давно я работал инженером в Signetics Corp., разрабатывая чипы коммуникационного интерфейса для спутников. Один чип, который я разработал, 32-битный буфер (по сути, повторитель сигнала), был спроектирован со слишком маленькой «заземляющей плоскостью». Заземляющий слой представляет собой лист металла, на который было сброшено неиспользованное электричество, подобно белому проводу, используемому в домашней электропроводке в США. В результате, когда все 32 бита одновременно перешли из старшего в младший, чип потерпел катастрофический сбой: буквально взорвался. Мне сказали, что техники вовсю взрывали мою первую партию чипов. Сколько вольт использовалось? ОДИН!

Хотя использование воды в качестве метафоры для электричества сильно упрощает, это полезно для тех, кто не имеет инженерного образования в области электричества.

• Напряжение = скорость воды, протекающей по каналу.

• Течение = количество воды, протекающей по каналу.

• Провод = канал.

Воды ровно столько, сколько можно протолкнуть через канал, прежде чем он переполнится. Переполнение канала означает размывание фермы и смерть фермера и его цыплят, поэтому переполнение канала (например, слишком большой ток в проводе, повреждение провода нагреванием) — это плохо.

Гребные колеса полезны для выполнения работы. Некоторые лопастные колеса легкие, они вращают небольшой вентилятор, чтобы цыплята оставались прохладными. Почти не имеет значения, сколько воды, потому что гребное колесо легкое и легко вращается. Что действительно имеет значение, так это скорость воды (напряжение). Слишком маленькая скорость, и колесо не крутится, и цыплята умирают от теплового удара. Слишком большая скорость, и смазка на оси сгорает, ломая гребное колесо (убивая как цыплят, так и маленького мальчика-сироту, собиравшего яйца). Вам нужна правильная скорость, чтобы эффективно крутить руль.

Однако большому гребному колесу нужны и скорость, и объем. Большое колесо фермы используется для точения шлифовального камня для муки и, переключая передачи, приводит в действие очень аккуратный инструмент, который пробивает, сверлит, пилит и молотит для быстрого производства дерева и металла. Как и в случае с легким колесом, для вращения колеса нужна правильная скорость, но вам также нужен объем, иначе колесо просто будет намокать.

В реальной жизни схема будет потреблять ровно столько тока, сколько ей нужно, но слишком малое напряжение — и схема не сработает, или слишком большое напряжение — и схема сгорит. См. мой реальный пример выше.

Редуктор (называемый трансформатором в мире электричества) позволяет нам компенсировать то, какой источник воды у нас есть. У нас есть большой канал, к которому имеет доступ все сообщество, но мы хотим, чтобы легкое колесо вращалось с большей скоростью, чем может обеспечить большой, но медленно движущийся канал. Поэтому мы используем шестерни, чтобы ускорить маленькое колесо. ОДНАКО с небольшим, но быстро движущимся каналом можно сделать очень мало. Любой, кто использовал садовый шланг для очистки подъездной дорожки, знает, что небольшое количество воды под высоким давлением уберет грязь, часто лучше, чем большое количество воды под низким давлением, но таким способом вы не сможете сдвинуть большой камень. Вам нужно много воды, чтобы сместить камень. То же самое в принципе верно и для электричества.

Как видите, дело не только в напряжении. Если бы это было так, вы могли бы (как вы предлагаете) просто спроектировать цепи для более низкого напряжения и вперед, без искр, все в безопасности. На самом деле все дело в мощности (P=I*V). Иногда вы не можете справиться с огромным проводом, который вам нужен для большой «I», потому что вам нужна маленькая «V». Это означает увеличение «V», а это означает искры.

ДЛЯ ЗАПИСИ: все эти крутые голливудские эффекты предназначены для вашего развлечения и никоим образом не отражают реальность. Они не осыпают своих актеров электрическими искрами, они используют пиротехнику — более известную как фейерверк — чтобы сделать момент более драматичным. Когда «Аполлон-1» закоротило, воспламенив чистую кислородную атмосферу кабины и убив астронавтов, была одна искра, за которой последовал каскад неискровых проблем. Так работает электричество... и выходит из строя....

Напряжение не является основным фактором в электропроводке. Ток и мощность есть. Если у меня есть компьютер, который потребляет 500 Вт и работает на 5 В, мне нужно 100 ампер. Поработав с роботом, работающим на токе около 100 ампер под нагрузкой, я могу отметить, что вам понадобится провод толщиной около сантиметра. Это будет весить и дорого стоить на космическом корабле. Почему такой толстый? Для уменьшения сопротивления в проводе, что снижает потери энергии/накопление тепла и предотвращает его перегорание под нагрузкой. Так что для чего-то большего, чем ноутбук или настольная лампа, вам понадобятся более высокие напряжения. (Потери мощности через сопротивление зависят только от тока, поэтому при той же мощности более высокие напряжения имеют меньшие потери. Вот почему линии электропередач на большие расстояния имеют высокое напряжение)

Кроме того, вы можете получить искру от удивительно низкого напряжения. В детстве я очень развлекался, делая недолговечные угольные дуговые лампы, работающие от 12 В постоянного тока.

Есть еще один эффект, о котором вы должны знать, называется... обратная связь. Если у вас есть двигатель, успешно работающий на 12 В, и вы внезапно вытаскиваете вилку, индуктивность в катушках двигателя может генерировать большое напряжение (не из-за движения двигателей, а из-за коллапса магнитного поля катушек). Сколько? Зависит от того, как быстро вы вытащили вилку, и насколько большой двигатель. Для справки, я испытал на себе неприятный шок, создав плохо (самостоятельно) разработанный драйвер двигателя для 12-вольтового беспроводного двигателя дрели. У меня не было обратноходового диода, полевой транзистор был рассчитан на тысячи вольт (так что он не сгорел), поэтому при ШИМ-регулировании двигателя радиатор работал, вероятно, до пары сотен вольт - достаточно сделать мне приятный сюрприз, когда я коснулся его! Если бы у вас был двигатель большего размера, вы могли бы легко попасть в диапазон kv даже от источника питания 12 В постоянного тока.

Кроме того, электричество не требуется для искр. Электричество требуется для дуг. Дуга — это место, где воздух превращается в плазму, а искра — это маленькая раскаленная штука. Вы можете создавать искры, сталкивая камни друг с другом или перемалывая сталь на точильном камне с электроприводом. Ферроцерий в зажигалке создает искры силой большого пальца. Если вы достаточно быстро разорвете кусок стали пополам, вы выделите тепло и можете получить несколько «искр».

Но почему панели управления в фильмах генерируют искры при столкновении с космическим кораблем? Это правило крутости [вставить ссылку на tvtropes]

Проблема в том, что сегодня «USB — это 5 В, и он может работать на чем угодно» , и это утверждение на самом деле даже близко не соответствует действительности. USB работает на 5 вольт с максимальным значением около 2 ампер для некоторых настроек зарядки, поэтому максимальная мощность составляет ~ 10 Вт, даже если вы увеличите его до 12 В, вы все равно будете потреблять менее 100 Вт при любой разумной силе тока. Большинство устройств в наши дни «работают» от питания USB, заряжая мощные бортовые батареи в течение нескольких часов (что связано с другими проблемами безопасности). Этих уровней мощности будет недостаточно для работы мощного компьютера или большого экрана сегодня и забыть о голографических интерфейсах или суперкомпьютерах будущего.

Крайним концом этого является путь из «Звездного пути» с прокладкой плазмопровода непосредственно к каждой рабочей станции, вероятно, излишним, и он определенно показал опасность прокладки высокой мощности рядом с местом работы людей, но он обладает гибкостью и удобством, обеспечивая более чем достаточно мощности, чтобы запустить все, что может понадобиться члену экипажа, включая предметы с высоким энергопотреблением, такие как зарядка фазера или запуск репликатора.

Так что да, вы, вероятно, могли бы выбрать более безопасные элементы управления и интерфейсы с низким энергопотреблением, но будут ограничения: очень маленькие экраны дисплея, ограниченная локальная вычислительная мощность, отсутствие зарядных устройств и т. д.; и забудьте о любых будущих технологиях, таких как запуск голографической колоды, главного экрана просмотра, мониторинга дисков, навигационного программного обеспечения и т. д.