Kula plazmowa: Zasada działania i jonizacja powietrza
- Szczegóły
Kula plazmowa to urządzenie mające charakter zabawki, zapewniającej ciekawy efekt wizualny. Jest ona wyposażona w szklaną kulę wypełnioną gazem o niskim ciśnieniu. Zwykle wykorzystuje się mieszankę helu z neonem, czasem z dodatkiem innych gazów szlachetnych. Po włączeniu wewnątrz kuli powstają wstęgowkształtne wyładowania elektryczne. Obserwacja będących w ciągłym ruchu, wijących się wstęg wyładowań elektrycznych sprawia wręcz hipnotyzujące wrażenie.
Zasada działania kuli plazmowej
Zasada działania lampy plazmowej opiera się na zjawisku jonizacji gazu pod działaniem wysokiego napięcia. Wewnątrz kuli panuje niskie ciśnienie, dzięki czemu do jonizacji dochodzi pod wpływem stosunkowo niskich napięć. Elektroda lampy jest zasilana z przetwornicy wytwarzającej prąd zmienny o małym natężeniu, napięciu około 10kV i o wielkiej częstotliwości. Efektem są efektowne wyładowania. Ich barwa jest uzależniona od rodzaju gazu. Wyładowania wznoszą się ku górze dzięki zjawisku konwekcji.
Budowa kuli plazmowej w warunkach domowych
W domowych warunkach możemy zbudować efektowne urządzenie działające na tej samej zasadzie.
Kula plazmowa z żarówki
By zbudować własną kulę plazmową potrzebujemy szklanego naczynia wypełnionego rozrzedzonym gazem. Warunki te spełnia zwykła żarówka (nie energooszczędna). Gaz obojętny wypełniający żarówkę ma wystarczająco niskie ciśnienie by wywołać w nim jasne wyładowania. Jako źródła wysokiego napięcia możemy użyć układu ZVS lub choćby induktora Ruhmkorffa. Jeden biegun źródła wysokiego napięcia należy podłączyć do cokołu żarówki, drugi trzeba uziemić.
Po włączeniu zasilania wewnątrz żarówki powstają doskonale widoczne niebieskie wyładowania. Po dotknięciu dłonią bańki żarówki wyładowania zbiegają się w jej kierunku.
Przeczytaj także: Pranie z kulami ceramicznymi
Ostrzeżenie: Używania układu ZVS ani innych źródeł wysokiego napięcia nie polecam początkującym bez doświadczenia w obchodzeniu się z wysokim napięciem. Na wyjściu urządzenia występuje napięcie wielu tysięcy woltów. Porażenie może być groźne dla zdrowia i życia eksperymentatora! Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Głośnik plazmowy i właściwości plazmy
Podczas badania właściwości plazmy użyty zostaje układ głośnika plazmowego wykonanego samodzielnie przez uczestnika konkursu. Układ powstał, bazując na powszechnych w Internecie projektach tego typu, bez dokładniej określonego współczesnego autora. Przed wykonaniem schematu i praktycznego układu konstruktor postanowił wesprzeć się radami i doświadczeniem innych użytkowników, wprowadzając modyfikacje poprawiające działanie głośnika. Następnie przystąpił do wykonania schematu i zaprojektowania własnej płytki drukowanej w programie CadSoft Eagle. Kolejnym etapem było wykonanie obwodu drukowanego w domowych warunkach i przylutowanie elementów. Cały projekt powstał w domowym warsztacie uczestnika konkursu, ze samodzielnie znalezionych materiałów i z wykorzystaniem nabytego amatorskiego doświadczenia w elektronice.
Kolejne czynności badające i opisujące właściwości plazmy powstały podczas obserwacji wpływu różnych zjawisk na plazmę np. pola magnetycznego oraz prób z oddziaływaniem plazmy na przedmioty codziennego użytku np. świeczką czy kawałkiem kartonu.
UWAGA! Podczas doświadczenia wykorzystywane jest urządzenie wytwarzające wysokie napięcie i toksyczny ozon, mogące stanowić zagrożenie dla życia lub zdrowia użytkowników! Przeprowadzając to doświadczenie należy zachować szczególną ostrożność! Przed przystąpieniem do wykonania doświadczenia należy posiadać podstawowe wiadomości o plazmie i zjawiskach fizycznych jej dotyczących.
- Plazma zimna - silnie zjonizowany gaz (przewodzący prąd), który przez swoje specyficzne właściwości nazywany jest czwartym stanem skupienia. Jest to chmura gazu, elektrycznie obojętna, o dużej koncentracji elektronów i jonów.
- Wyładowanie elektryczne - przepływ prądu w izolatorze wywołany silnym polem elektromagnetycznym.
Aby zrozumieć, w jaki sposób powstaje wysokie napięcie, a w jego następstwie plazma na wyjściu układu głośnika plazmowego, trzeba dokonać analizy obwodów i określić ich funkcje. Układ działa w następujący sposób: w stanie spoczynku generator PWM wytwarza sygnał prostokątny o danym wypełnieniu, czyli czasie trwania i częstotliwości, ustalanych przez potencjometry. Dalej sygnał z wyjścia układu scalonego podawany jest na wejście tranzystora sterującego mocy mosfet, który przetwarza go na adekwatne parametrami impulsy wysoko prądowe pobierane ze źródła zasilania i przepływające przez kilku zwojowe uzwojenie pierwotne spreparowanego transformatora. W wyniku tych impulsów na wyjściu trafo powielacza powstaje wielokrotnie wyższe napięcie, które powoduje jonizację dielektryka, jakim jest powietrze i przepływ przez nie prądu, skutkujące stabilnym łukiem elektrycznym, czyli płomieniem plazmy.
Przeczytaj także: Wypalarki plazmowe i osuszacze powietrza
„Grająca plazma” - czyli wytwarzanie dźwięku przez plazmę
Po podłączeniu źródła elektrycznego sygnału dźwiękowego (w naszym przypadku telefonu komórkowego) i odpowiedniej regulacji układu głośnika w celu uzyskania stabilnego płomienia i dobrej jakości dźwięku można włączyć odtwarzanie piosenki. Wybrany przez nas utwór słyszymy wprost z łuku elektrycznego! Różnorakie dźwięki odtwarzane są przez plazmę pomiędzy elektrodami! Możemy zauważyć, że nie jest to głośnik wielkiej mocy, ponieważ muzyka wydobywająca się z płomienia ma głośność porównywalną do odtwarzanej z telefonu komórkowego.
Dodatkowo słyszymy, że puszczana muzyka nie ma głębi, brakuje w niej dźwięków niskich - basowych. Mimo, że wysokość dźwięku jest odczuciem subiektywnym, odtwarzając utwory składające się głównie z niskich dźwięków (muzyka z gatunku techno lub dubstep) łatwo możemy zauważyć, że znacząco różnią się od wersji odtwarzanej na zwykłych głośnikach. Spowodowane jest to tym, że membraną w tym wypadku jest mały płomień plazmy i nie jest on w stanie oddać dźwięków wymagających niskich częstotliwości i dużych ruchów membrany (poruszenia dużych ilości powietrza). Głośnik plazmowy odtwarza za to doskonale wysokie tony, ponieważ charakteryzuje się niską bezwładnością membrany: płomień z łatwością przenosi szybkie drgania do powietrza, przez co sprawia - że są one przenikliwe i wyraźne.
Plazma wytwarza dźwięk dzięki temu, że jest odpowiednio modulowana. Generator PWM w zależności od wejściowego elektrycznego sygnału dźwiękowego skraca lub wydłuża parametry przebiegu wyjściowego o stałej częstotliwości i tym samym powoduje zagęszczenie lub rozrzedzenie plazmy, która przekłada to na zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza. W ten sposób powstaje fala akustyczna, która z definicji jest zaburzeniem gęstości i ciśnienia w ośrodku sprężystym (powietrzu).
Właściwości plazmy
Następnie chwytając szczypcami ferrytowy magnes, zbliżamy go powoli do płomienia plazmy i obserwujemy reakcje plazmy na obecność pola magnetycznego o różnej biegunowości. Za każdym razem, niezależnie od bieguna, który przybliżamy do łuku elektrycznego, on wykrzywia się w kierunku magnesu, aby podążyć po jego powierzchni, czyli jak najbliżej pola magnetycznego. Sugeruje nam to, że plazma zbudowana jest z cząstek podatnych na oddziaływania magnetyczne i jednocześnie przewodzi prąd. Możemy stąd wywnioskować, że plazma to chmura składająca się z elektronów i jonów.
Obserwując płomień plazmy możemy zauważyć, że wysyła on fioletowe światło, i generuje bardzo dużo ciepła - końcówki elektrod są rozżarzone. Aby sprawdzić, czy jest to światło ultrafioletowe, użyjemy toniku Schweppes, zawierający chininę. W zaciemnionym pomieszczeniu przy działającym głośniku przykładamy delikatnie probówkę do światła emitowanego przez łuk elektryczny. Nasza ciecz fluoryzuje, ponieważ znajdujące się w niej cząsteczki chininy ulegają wzbudzeniu pod wpływem światła UV i oddają energię w postaci emitowania jasnoniebieskiej barwy. W ten sposób możemy skojarzyć plazmę z emisją światła ultrafioletowego.
Przeczytaj także: O Jonizacji Plazmowej i Ozonowaniu
Następnie, (aby przekonać się o jonizacji innych gazów za pomocą wysokiego napięcia) do elektrod głośnika przykładamy spiralę pozyskaną z żarówki jarzeniowej. Jonizacja gazu w świetlówce przekonuje nas, że różne gazy mogą emitować odmienne światło. Pozwala nam to na wyciągnięcie wniosku, że plazma, która powstała w różnym środowisku i warunkach, może mieć inne właściwości między innymi barwę emitowanego światła, temperaturę lub obszar występowania.
Szukając więcej informacji natkniemy się na kilka rodzajów plazmy. Na plazmę gorącą, czyli tą, która buduje gwiazdy i na plazmę zimną, występującą w normalnych ziemskich warunkach, przykładowo w naszym głośniku.
Podczas działania głośnika plazmowego możemy zobaczyć, że łuk elektryczny jest wygięty w górę. Aby przekonać się o kolejnej właściwości plazmy do naszego urządzenia musimy podłączyć dwa druty uformowane razem w kształt litery V, lecz odseparowane od siebie o kilka milimetrów. Następnie ustawić właściwe parametry łuku bez odtwarzania muzyki. Po właściwym uruchomieniu naszych nowych elektrod na ich końcówkach pojawia się mały łuk elektryczny, który szybko porusza się ku górze i zwiększa swoją długość, a następnie przerywa się. Analizując to zjawisko stwierdzamy, że plazma ulega zjawisku konwekcji, czyli poruszania się ciepłych mas powietrza w górę spowodowanego różnicą gęstości w ośrodkach. Przekonuje nas to, że plazma wciąż zachowuje się jak gaz, a zarazem ma inne właściwości. Potrafi przewodzić prąd i zawiera w sobie dużo energii, którą oddaje do otoczenia w różny sposób.
Po dłuższym działaniu głośnika plazmowego możemy poczuć zapach powietrza po burzy. Jest to charakterystyczna cecha ozonu (tritlenu) wytwarzanego przez łuk elektryczny. Plazma, w zależności od środowiska, w jakim jest obecna, może powodować różne reakcje chemiczne. W środowisku tlenowym przeprowadza syntezę tlenu do ozonu według równania 3O2 → 2O3. Pozwala nam to poznać kolejną niezwykłą właściwość czwartego stanu skupienia. Ozon jest gazem trującym i ma silne właściwości aseptyczne i toksyczne. Należy, więc zachować ostrożność podczas doświadczenia i przeprowadzać je w dobrze wentylowanym pomieszczeniu.
tags: #kula #plazmowa #zasada #działania #jonizacja #powietrza
