Kula plazmowa - Plasma globe
Kula plazmowa lub światła w osoczu (zwane także kula w osoczu , kopuła , kula , rura lub kula , w zależności od kształtu) jest oczywiste, szklany pojemnik / kulki wypełniona mieszaniną wielu gazów szlachetnych z wysokonapięciowej elektrody w środkowymi pojemnik.
Po przyłożeniu napięcia w pojemniku tworzy się plazma . Włókna plazmowe rozciągają się od elektrody wewnętrznej do zewnętrznego izolatora szklanego, dając efekt wielu stałych wiązek kolorowego światła (patrz wyładowanie koronowe i wyładowanie jarzeniowe ). Kule plazmowe były najbardziej popularne jako nowości w latach 80.
Lampa osoczu wynalazł Nikola Tesli , czasie doświadczeń z jego wysokiej częstotliwości prąd w szklanej próżniowej probówce w celu studiowania wysokiego napięcia zjawiska. Tesla nazwał swój wynalazek „ rurą wyładowczą gazu obojętnego ”. Nowoczesny projekt lampy plazmowej został następnie opracowany przez Jamesa Falka i studenta MIT, Billa Parkera .
Opis
Chociaż istnieje wiele odmian, lampa plazmowa jest zwykle przezroczystą szklaną kulą wypełnioną mieszaniną różnych gazów (najczęściej neonu , czasem innymi gazami szlachetnymi, takimi jak argon , ksenon i krypton ) pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego. Rury trzeszczenie jest związane urządzenie wypełnia się granulkami luminoforu powłoką. Lampy plazmowe są zasilane prądem przemiennym o wysokiej częstotliwości (około 35 kHz ) przy 2–5 kV . Obwód napędowy jest zasadniczo wyspecjalizowanym falownikiem mocy , w którym prąd z niskonapięciowego źródła prądu stałego zasila obwód oscylatora elektronicznego o wysokiej częstotliwości , którego sygnał wyjściowy jest zwiększany przez transformator wysokiego napięcia o wysokiej częstotliwości . Energia o częstotliwości radiowej z transformatora jest przenoszona do gazu w kuli ziemskiej przez elektrodę w jej środku. Ponadto niektóre konstrukcje wykorzystują kulę ziemską jako wnękę rezonansową, która zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne do tranzystora sterującego poprzez transformator. Znacznie mniejsza pusta szklana kula może również służyć jako elektroda, gdy jest wypełniona wełną metalową lub płynem przewodzącym, który jest połączony z wyjściem transformatora. W tym przypadku energia o częstotliwości radiowej jest wprowadzana do większej przestrzeni przez sprzężenie pojemnościowe bezpośrednio przez szkło. Włókna plazmy rozciągają się od elektrody wewnętrznej do zewnętrznego izolatora szklanego, dając wygląd poruszających się wąsów kolorowego światła w objętości kuli (patrz wyładowanie koronowe i wyładowanie jarzeniowe ). Jeśli dłoń jest umieszczona blisko kuli ziemskiej, wydziela się słaby zapach ozonu , ponieważ gaz jest wytwarzany w wyniku interakcji wysokiego napięcia z tlenem atmosferycznym.
Niektóre globusy mają pokrętło sterujące, które zmienia ilość mocy przekazywanej do elektrody środkowej. Przy najniższym ustawieniu, które oświetli lub „uderzy” w kulę ziemską, wykonuje się pojedynczą wąs. Kanał plazmowy tego pojedynczego wąsika zajmuje wystarczająco dużo miejsca, aby przesłać tę najniższą energię uderzenia do świata zewnętrznego przez szkło globu. Wraz ze wzrostem mocy pojemność tego pojedynczego kanału jest przytłaczana i powstaje drugi kanał, potem trzeci i tak dalej. Wąsy rywalizują również o ślad na wewnętrznej kuli. Przepływające przez nie energie mają tę samą biegunowość, więc odpychają się jak podobne ładunki: cienka ciemna granica otacza każdy ślad na wewnętrznej elektrodzie.
Umieszczenie czubka palca na szkle tworzy atrakcyjne miejsce dla przepływu energii, ponieważ przewodzące ciało ludzkie (o nieomowej rezystancji około 1000 omów w temperaturze pokojowej) jest łatwiej spolaryzowane niż materiał dielektryczny wokół elektrody (tj. gaz w kuli ziemskiej) zapewniając alternatywną ścieżkę wyładowania o mniejszym oporze. Dlatego zdolność dużego ciała przewodzącego do przyjmowania energii o częstotliwości radiowej jest większa niż w otaczającym powietrzu. Energia dostępna dla włókien plazmy wewnątrz kuli ziemskiej będzie preferencyjnie płynąć w kierunku lepszego akceptora. Przepływ ten powoduje również, że pojedyncze włókno od wewnętrznej kulki do punktu styku staje się jaśniejsze i cieńsze. Żarnik jest jaśniejszy, ponieważ przepływa przez niego więcej prądu i do pojemności 150 pF, czyli pojemności , prezentowanej przez obiekt, ciało przewodzące wielkości człowieka. Włókno jest cieńsze, ponieważ otaczające go pola magnetyczne, wzmocnione przez przepływający przez niego teraz wyższy prąd, wywołują efekt magnetohydrodynamiczny zwany samofokusem : własne pola magnetyczne kanału plazmy wytwarzają siłę działającą na ściskanie rozmiaru samego kanału plazmy .
Duża część ruchu włókien jest spowodowana nagrzewaniem się gazu wokół włókna. Gdy gaz wzdłuż włókna jest podgrzewany, staje się bardziej wyporny i unosi się, unosząc ze sobą włókno. Jeśli żarnik wyładowuje się do nieruchomego przedmiotu (takiego jak dłoń) z boku kuli ziemskiej, zacznie się deformować w zakrzywioną ścieżkę między centralną elektrodą a obiektem. Kiedy odległość między elektrodą a przedmiotem staje się zbyt duża, aby ją utrzymać, włókno pęknie i nowe włókno zreformuje się między elektrodą a ręką (patrz także Drabina Jakuba , która wykazuje podobne zachowanie).
Prąd elektryczny jest wytwarzany w dowolnym przewodzącym obiekcie w pobliżu kuli. Szkło działa jak dielektryk w kondensatorze utworzonym między zjonizowanym gazem a ręką.
Globus jest przygotowywany przez wypompowanie takiej ilości powietrza, jaka jest praktyczna. Glob jest następnie ponownie wypełniony neonem do ciśnienia podobnego do jednej atmosfery. Jeśli zasilanie o częstotliwości radiowej jest włączone, jeśli kula ziemska zostanie „uderzona” lub „zapalona”, teraz cała kula będzie świecić na czerwono. Jeśli dodasz trochę argonu, utworzą się włókna. Jeśli doda się bardzo małą ilość ksenonu, „kwiaty” zakwitną na końcach włókien.
Neon dostępny do kupienia w sklepie z neonami często jest dostępny w szklanych kolbach pod ciśnieniem częściowej próżni. Nie można ich użyć do wypełnienia globu użyteczną mieszanką. Wymagane są zbiorniki z gazem, każdy z odpowiednim, odpowiednim regulatorem ciśnienia i złączką: po jednym na każdy z gazów.
Spośród innych gazów szlachetnych radon jest radioaktywny , hel stosunkowo szybko ucieka przez szybę, a krypton jest dość drogi. Można stosować inne gazy, takie jak opary rtęci . Plazma może dysocjować gazy cząsteczkowe.
Historia
W patencie USA 0,514,170 („ Incandescent Electric Light”, 1894 6 lutego), Nikola Tesla opisuje lampę plazmową. Ten patent dotyczy jednej z pierwszych lamp wyładowczych dużej intensywności. Tesla zastosował żarową kulę lampową z pojedynczym wewnętrznym elementem przewodzącym i wzbudził element prądami wysokiego napięcia z cewki Tesli , tworząc w ten sposób emanację wyładowania szczotkowego. Uzyskał ochronę patentową na szczególną formę lampy, w której świecący mały korpus lub guzik z materiału ogniotrwałego jest podtrzymywany przewodnikiem wchodzącym do bardzo mocno wyczerpanej kuli lub odbiornika. Tesla nazwał ten wynalazek pojedynczą lampą końcową lub później „rurą wyładowczą gazu obojętnego”.
Glob plazmowy w stylu Groundstar został stworzony przez Jamesa Falka i sprzedawany kolekcjonerom i muzeom nauki w latach 70. i 80. XX wieku. Jerry Pournelle w 1984 roku pochwalił Omnisphere Orb Corporation jako „najwspanialszy obiekt na całym świecie” i „wspaniały… nowy rodzaj obiektu artystycznego”, stwierdzając, że „mojego nie można kupić za żadną cenę”.
Technologia potrzebna do formułowania mieszanin gazowych stosowanych w dzisiejszych sferach plazmowych nie była dostępna dla Tesli. Nowoczesne lampy zazwyczaj wykorzystują kombinacje ksenonu , kryptonu i neonu , chociaż można również stosować inne gazy. Te mieszanki gazów, wraz z różnymi kształtami szkła i elektroniką sterowaną układami scalonymi, tworzą żywe kolory, zakres ruchów i złożone wzory widoczne w dzisiejszych sferach plazmy.
Aplikacje
Kule plazmowe są głównie używane jako ciekawostki lub zabawki ze względu na ich unikalne efekty świetlne i „sztuczki”, które mogą być na nich wykonywane przez użytkowników poruszających wokół nich rękami. Mogą również stanowić część wyposażenia laboratorium szkolnego do celów demonstracyjnych. Zwykle nie są używane do oświetlenia ogólnego. Jednak w ostatnich latach niektóre sklepy z nowościami zaczęły sprzedawać miniaturową lampkę nocną z lampą plazmową, którą można zamontować na standardowym gniazdku.
Kule plazmowe mogą być używane do eksperymentów z wysokimi napięciami. Jeśli na kuli ziemskiej zostanie umieszczona przewodząca płytka lub cewka z drutu, sprzężenie pojemnościowe może przenieść wystarczające napięcie do płytki lub cewki, aby wytworzyć mały łuk lub pobudzić obciążenie o wysokim napięciu . Jest to możliwe, ponieważ plazma wewnątrz kuli i przewodnik na zewnątrz działają jak płytki kondensatora, a szkło pomiędzy nimi pełni rolę dielektryka. Transformator obniżający napięcie podłączony między płytą a elektrodą kuli ziemskiej może wytwarzać niższe napięcie i wyższy prąd wyjściowy o częstotliwości radiowej. Staranne uziemienie jest niezbędne, aby zapobiec obrażeniom ciała lub uszkodzeniu sprzętu.
Zagrożenia
Zbliżenie materiałów przewodzących lub urządzeń elektronicznych do kuli plazmowej może spowodować nagrzanie szkła. Energia o częstotliwości radiowej wysokiego napięcia sprzężona z nimi z wnętrza kuli ziemskiej może spowodować lekkie porażenie prądem dotykającej osoby, nawet przez ochronną szklaną obudowę. Pole częstotliwości radiowej wytwarzane przez lampy plazmowe może zakłócać działanie tabliczek dotykowych używanych w laptopach , cyfrowych odtwarzaczach audio , telefonach komórkowych i innych podobnych urządzeniach. Niektóre typy kul plazmowych mogą emitować wystarczające zakłócenia częstotliwości radiowej (RFI), aby zakłócać działanie telefonów bezprzewodowych i urządzeń Wi-Fi kilka stóp lub kilka metrów dalej.
Jeśli przewodnik elektryczny dotknie zewnętrznej powierzchni kuli ziemskiej, sprzężenie pojemnościowe może wzbudzić na nim wystarczający potencjał, aby wytworzyć mały łuk . Jest to możliwe, ponieważ szkło kuli działa jak dielektryk kondensatora : wnętrze lampy działa jak jedna płyta, a przewodzący obiekt na zewnątrz działa jak przeciwległa płyta kondensatora. Jest to niebezpieczne działanie, które może uszkodzić kulę ziemską lub inne urządzenia elektroniczne i stwarza zagrożenie zapłonem.