Плазменный шар , плазменный шар или плазменная лампа — это прозрачный стеклянный контейнер, заполненный благородными газами , обычно смесью неона , криптона и ксенона , в центре которого находится высоковольтный электрод . При подаче напряжения внутри контейнера образуется плазма . Плазменные нити тянутся от внутреннего электрода к внешнему стеклянному изолятору, создавая видимость множественных постоянных пучков цветного света (см. коронный разряд и электрический тлеющий разряд ). Плазменные шары были популярны как новинки в 1980-х годах. [1]
Плазменная лампа была изобретена Николой Теслой во время его экспериментов с высокочастотными токами в откачанной стеклянной трубке с целью изучения явлений высокого напряжения . [2] Тесла назвал свое изобретение « разрядной трубкой с инертным газом ». [3] Современная конструкция плазменной лампы была разработана Джеймсом Фальком и студентом Массачусетского технологического института Биллом Паркером . [1] [4]
Трубка -треск — это похожее устройство, заполненное покрытыми фосфором шариками.
Хотя существует множество разновидностей, плазменный шар обычно представляет собой прозрачную стеклянную сферу, заполненную смесью различных газов (чаще всего неоном , иногда другими благородными газами, такими как аргон , ксенон и криптон ) под давлением, близким к атмосферному.
Плазменные шары приводятся в действие высокочастотным (приблизительно 35 кГц ) переменным током при 2–5 кВ . [1] Схема привода по сути представляет собой специализированный инвертор мощности , в котором ток от источника постоянного тока с более низким напряжением питает высокочастотную электронную схему осциллятора, выход которого усиливается высокочастотным высоковольтным трансформатором , например, миниатюрной катушкой Тесла или трансформатором обратного хода . Радиочастотная энергия от трансформатора передается в газ внутри шара через электрод в его центре. Кроме того, некоторые конструкции используют шар в качестве резонансной полости, которая обеспечивает положительную обратную связь с транзистором привода через трансформатор. Гораздо меньший полый стеклянный шар также может служить электродом, если он заполнен металлической ватой или проводящей жидкостью, которая находится в сообщении с выходом трансформатора. В этом случае радиочастотная энергия поступает в большее пространство посредством емкостной связи прямо через стекло. Плазменные нити тянутся от внутреннего электрода к внешнему стеклянному изолятору, создавая видимость движущихся усиков цветного света внутри объема шара (см. коронный разряд и электрический тлеющий разряд ). Если поднести руку близко к шару, то почувствуется слабый запах озона , поскольку газ образуется при взаимодействии высокого напряжения с кислородом воздуха.
Некоторые шары имеют ручку управления, которая изменяет количество энергии, поступающей на центральный электрод. При самой низкой настройке, которая зажжет или «ударит» шар, создается один усик. Плазменный канал этого одиночного усика занимает достаточно места, чтобы передать эту самую низкую ударную энергию во внешний мир через стекло шара. По мере увеличения мощности емкость этого одиночного канала переполняется, и формируется второй канал, затем третий и так далее. Каждый усик также конкурирует за отпечаток на внутреннем шаре. Энергии, протекающие через них, имеют одну и ту же полярность, поэтому они отталкиваются друг от друга как одноименные заряды: тонкая темная граница окружает каждый отпечаток на внутреннем электроде.
Шар подготавливается путем откачки как можно большего количества воздуха. Затем шар заполняется неоном до давления, близкого к одной атмосфере. Если включить радиочастотную мощность, если шар «ударить» или «зажечь», то весь шар будет светиться диффузным красным светом. Если добавить немного аргона, сформируются нити. Если добавить совсем небольшое количество ксенона, на концах нитей распустятся «цветы». [ требуется цитата ]
Неон, который можно купить в магазине неоновых вывесок, часто поставляется в стеклянных колбах под давлением частичного вакуума. Их нельзя использовать для заполнения шара полезной смесью. Требуются баллоны с газом, каждый со своим собственным, соответствующим, регулятором давления и фитингом: по одному для каждого из задействованных газов.
Из других благородных газов радон радиоактивен , гелий относительно быстро улетучивается через стекло, а криптон дорог. Могут использоваться и другие газы, такие как пары ртути . Молекулярные газы могут диссоциировать под действием плазмы.
Прикосновение кончика пальца к стеклу создает привлекательное место для потока энергии, поскольку проводящее человеческое тело (имеющее внутреннее сопротивление менее 1000 Ом) [5] легче поляризуется, чем диэлектрический материал вокруг электрода (т. е. газ внутри шара), обеспечивая альтернативный путь разряда с меньшим сопротивлением. Следовательно, способность большого проводящего тела принимать радиочастотную энергию больше, чем у окружающего воздуха. Энергия, доступная нитям плазмы внутри шара, будет предпочтительно течь к лучшему акцептору. Этот поток также заставляет одну нить, от внутреннего шара до точки контакта, становиться ярче и тоньше. [1] Нить ярче, потому что через нее протекает больший ток в человеческое тело, емкость которого составляет около 100 пФ. [6] Нить накала тоньше, поскольку магнитные поля вокруг нее, усиленные теперь более сильным током, протекающим через нее, вызывают магнитогидродинамический эффект, называемый пинчем : собственные магнитные поля плазменного канала создают силу, действующую на сжатие размера самого плазменного канала.
Большая часть движения нитей обусловлена нагреванием газа вокруг нити. Когда газ вдоль нити нагревается, он становится более плавучим и поднимается, увлекая за собой нить. Если нить разряжается в неподвижный объект (например, руку) сбоку от шара, она начнет деформироваться в изогнутую траекторию между центральным электродом и объектом. Когда расстояние между электродом и объектом становится слишком большим, чтобы его поддерживать, нить разорвется, и между электродом и рукой образуется новая нить (см. также Лестницу Иакова , которая демонстрирует похожее поведение).
Электрический ток возникает внутри любого проводящего объекта вблизи шара. Стекло действует как диэлектрик в конденсаторе, образованном между ионизированным газом и рукой.
В патенте США 0,514,170 («Incandescent Electric Light», 1894 February 6) Никола Тесла описывает плазменную лампу. Этот патент относится к одной из первых разрядных ламп высокой интенсивности. Тесла использовал лампу накаливания с шаром с одним внутренним проводящим элементом и возбуждал элемент токами высокого напряжения от катушки Теслы , создавая таким образом излучение щеточного разряда. Он получил патентную защиту на особую форму лампы, в которой небольшое светящееся тело или кнопка из огнеупорного материала поддерживается проводником, входящим в очень сильно разряженный шар или приемник. Тесла назвал это изобретение лампой с одним выводом или, позднее, «разрядной трубкой инертного газа». [3]
Стиль плазменного шара Groundstar был создан Джеймсом Фальком и продавался коллекционерам и научным музеям в 1970-х и 1980-х годах. [1] Джерри Пурнелл в 1984 году похвалил Omnisphere корпорации Orb как «самый потрясающий объект во всем мире» и «великолепный ... новый вид арт-объекта», заявив: «Вы не сможете купить мой ни за какую цену». [7]
Технология, необходимая для создания газовых смесей, используемых в современных плазменных сферах, не была доступна Тесле. [ требуется ссылка ] Современные лампы обычно используют комбинации ксенона , криптона и неона , хотя могут использоваться и другие газы. [1] [3] Эти газовые смеси, наряду с различными формами стекла и электроникой, управляемой интегральными схемами, создают яркие цвета, диапазон движений и сложные узоры, которые можно увидеть в современных плазменных сферах.
Плазменные шары в основном используются как диковинки или игрушки из-за их уникальных световых эффектов и «трюков», которые можно проделывать с ними, перемещая вокруг них руки. Они также могут быть частью лабораторного оборудования школы для демонстрационных целей. Обычно они не используются для общего освещения. Однако в последние годы некоторые магазины новинок начали продавать миниатюрные плазменные шаровые ночные светильники , которые можно установить на стандартный патрон. [8] [9]
Плазменные шары можно использовать для экспериментов с высокими напряжениями . Если на шар поместить проводящую пластину или катушку с проволокой, емкостная связь может передавать достаточно напряжения на пластину или катушку, чтобы создать небольшую дугу или запитать высоковольтную нагрузку . Это возможно, потому что плазма внутри шара и проводник снаружи действуют как пластины конденсатора, а стекло между ними — как диэлектрик. Понижающий трансформатор, подключенный между пластиной и электродом шара, может производить низковольтный, но высокоточный радиочастотный выход. Тщательное заземление имеет важное значение для предотвращения травм или повреждения оборудования.
Поднесение проводящих материалов или электронных устройств близко к плазменному шару может привести к нагреванию стекла. Высоковольтная радиочастотная энергия, связанная с ними изнутри шара, может вызвать слабый удар током у человека, который к ним прикасается, даже через защитный стеклянный кожух. Радиочастотное поле , создаваемое плазменными шарами, может мешать работе сенсорных панелей, используемых на ноутбуках , цифровых аудиоплеерах , сотовых телефонах и других подобных устройствах. [1] Некоторые типы плазменных шаров могут излучать достаточно радиочастотных помех (RFI), чтобы мешать работе беспроводных телефонов и устройств Wi-Fi на расстоянии нескольких футов или нескольких метров.
Если электрический проводник касается внешней поверхности шара, емкостная связь может индуцировать на нем потенциал, достаточный для образования небольшой дуги . Это возможно, поскольку стекло шара действует как диэлектрик конденсатора : внутренняя часть лампы действует как одна пластина, а проводящий объект снаружи действует как противоположная пластина конденсатора. [3] Это опасное действие, которое может повредить шар или другие электронные устройства и представляет опасность возгорания. [1]
Ощутимые количества озона могут образовываться на поверхности плазменного шара. Многие люди могут обнаружить озон в концентрациях0,01–0,1 ppm , что немного ниже минимальной концентрации, при которой озон считается вредным для здоровья. ВоздействиеОт 0,1 до 1 ppm вызывает головные боли, жжение в глазах и раздражение дыхательных путей.
В июле 2022 года искра от плазменного шара в музее Квестакон в Австралии привела к воспламенению дезинфицирующего средства для рук на спиртовой основе, которым обрабатывали руки ребенка, в результате чего у ребенка возникли серьезные ожоги. [10]
