電蚊拍噼啪一聲，在它們的世界裡發生了什麼？

知識 08-22

電蚊拍的噼啪聲是如何發出的？

戴為，廣義學渣

是電壓擊穿空氣形成電弧發出的聲音。

一般來說，電蚊拍都會有 3 層金屬網，其中靠外的兩層較疏的金屬網是同極的，中間一層是另一極。

當蚊蟲處在內外兩層金屬網之間時，兩極發生放電，把蚊蟲電死。

電蚊拍的電壓是很高的，應該有上千伏。（因為放電量很小，所以一般來說不會對人造成傷害，但足以殺死蚊蠅。）

內外網的間距大約在 5mm 左右，此時電壓不足以把之間的空氣擊穿，兩極可以認為是絕緣的。因此不會時刻發生放電。

在蚊蟲進入兩層網之間時，由於蚊蟲的身體導電性很好，幾乎可以看作導體[1]，此時相當於兩電極之間的空氣層變薄了。在薄到一定程度時，電壓把空氣擊穿了，形成電弧放電。

擊穿的意思是，空氣分子在極強的電場下發生了電離。

空氣被電離的時候發生了什麼呢？

空氣中的氮分子氧分子都是電中性的。在電場下，分子的正電荷中心和負電荷中心發生了分離，電場越強，分離得越顯著。

直到外電場強到使電子可以完全脫離原子實的庫侖吸引。此時分子就不復存在了，只有自由電子和離子。

（空氣的擊穿場強大約為 30kV/cm。如果取電蚊拍的兩極電壓為 3 千伏，那在空氣層厚度 1mm 左右的時候就可以被電離了。）

這個時候空氣就能導電了。電蚊拍通過「外網—蚊蟲的身體—電離的空氣—內網」這條路，發生了放電。

電離空氣放電這個過程，就叫電弧。

電蚊拍的聲音和火花就是在這個過程中產生的。

就和電閃雷鳴的原理一樣。

這個放電過程只持續很短的時間[2]。但空氣電離產生的電弧瞬間溫度可以達到 5000 攝氏度。

劇烈的熱脹冷縮急速推動了周圍的空氣。推動的速度比音速還要快，在這個過程中空氣和空氣發生了非常劇烈的碰撞[3]。

正是因為此，那麼一點點空氣才能發出如此響亮的噼啪聲。

下面以一隻被電死的蒼蠅的視角來回顧一下整個過程：

蒼蠅一旦飛到外層疏網處，它的命運就已經無法改變了。電場會把它向內吸。

它越來越靠近內層網。在自己的身體距離內網還有 1mm 時，它就觸發了電弧。

此時，如果它還有意識的話，它會感覺到很燙、感到強烈的震動幾乎要把它的肢解、強光會把它的複眼閃瞎。

但實際上在這一切發生的之前一瞬，它就已經被電死了（或電暈了?）。

我這幾天在老家無聊得緊，特地做實驗試了一下。

聲音和火花都只發生在剛剛打上蒼蠅的時候。

當一隻蒼蠅的身體夾在兩層網之間，同時接觸內外網（也就是蒼蠅用自己的身體連通兩電極）時，按通電開關不會有劇烈的聲音和火花，只有很弱的電流流過蒼蠅身體的滋滋聲。

（有 4 只蒼蠅被我這樣烤熟了。不過，不用覺得我不人道，它們早在這之前就已經死得不能再死了。）

之後，我想研究一下空氣層到底還剩多厚的時候會被電蚊拍電壓擊穿。

拿一個螺絲刀，小心地接觸內網而不接觸外網。在我正準備小心翼翼地讓螺絲刀和外網發生放電時，被我奶奶喝止了。

我：放心吧奶奶，我算過了，不會有危險的。

奶奶：咱家就這一個電蚊拍，被你玩壞了咋辦？

我：…………

[1]更嚴格的物理模型是：原先上下兩層金屬網，中間是介電常數接近 1 的 5mm 厚的空氣層。現在在其中插入了一層介電常數很大的介質（蒼蠅身體）。

[2]電弧只會存在一瞬間，主要是因為電蚊拍出於安全考慮，單次放電的能量和電荷量是嚴格控制的。

[3]僅僅靠熱脹冷縮的那一下，強度應該不足以形成這麼響亮的聲音。因此，我猜想我們真正聽見的聲音，其實是被推動的空氣突破音障的聲音。有興趣的讀者可以進一步研究。

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