Чудесный плазменный шар. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 19:00

01.2015

Что за чудо этот плазменный шар!

И хотя в наш век квантовой физики человечество до сих пор еще по разным причинам сует пальцы в розетки, с электричеством мы знакомы не только на практике, но и по книгам!
Прочитав учебник физики, рядом с плазменной лампой ты кажешься себе покорителем молний. Однако, несмотря на уверения друзей, что «это не страшно», первое прикосновение к работающему светильнику дается все-таки с большим трудом.

Миниатюрные молнии, как тонкие жалящие жгуты, беспорядочно и внезапно пронизывают пространство от центра до самых стенок стеклянной сферы.

Сколько названий у этого декоративного светильника – плазменная лампа, плазменный шар, плазменная сфера … можно придумать и другие.

Но эти декоративные светильники делают не только в форме шара,

но и виде сердца, цилиндра, плоского диска и даже гантелей.

А самый большой плазменный шар диаметром в 1 метр находится в Центре науки «Technorama в Швейцарии.

А что такое плазма?

Твердое вещество при нагревании переходит в жидкое состояние, а затем в газ. Дальнейший нагрев газа ведет к ионизации атомов газа, электроны с внешних орбит отрываются от атомов. При температуре выше 100 ОООК вещество сильно ионизировано. Это и есть плазма. Плазму называют четвертым состоянием вещества.

Так, например, Солнце генерирует плазму - "солнечный ветер", который распространяется по Вселенной.

Понятие "плазмы" ввел Крукс в 1879 году для описания ионизованной среды газового разряда.

Поскольку плазма состоит из ионов и электронов, то под действием внешнего электрического поля, заряженные частицы приходят в движение, и возникает электрический ток в виде разрядов. Плазма электропроводна.

Однако при выполнении определенных условий, плазма может существовать и при более низкой температуре.

А с чего все началось?

В 18 веке М.В. Ломоносов впервые получил свечение газов при пропускании электрического тока через заполненный водородом стеклянный шар.

В 1856 году Генрихом Гейслером была создана первая газоразрядная лампа с возбуждением от соленоида и было получено синее свечение трубки.

В 90-х годах 19 века сербский изобретатель Никола Тесла получил патент на газоразрядную лампу, состоящую из стеклянной колбы с одним электродом внутри. Колба была заполнена аргоном. На электрод подавалось напряжения от катушки Тесла, при этом на конце электрода появлялось свечение. Сам Тесла назвал свое изобретение «газоразрядная трубка с инертным газом» и использовал ее исключительно для научных исследований плазмы.

В 1893 году Томас Эдисон получил люминесцентное свечение.

В 1894 году М. Моор создал газоразрядную лампу, испускающую розовое свечение, наполнив ее азотом и углекислым газом.

В 1901году П. Хьюитт продемонстрировал ртутную лампу, испускающую сине-зелёного свет.

В 1926 году Э. Гермер предложил покрывать внутренние стенки колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывал ультрафиолетовый излучение, испускаемое возбуждённой плазмой, в белый видимый свет. Э.Гермер был признан изобретателем лампы дневного света.

Во второй половине 20 века исследователи Б. Паркер и Дж. Фолк получили оригинальное свечение плазменных шаров, наполняя их различными смесями инертных газов. Эти плазменные шары в то время получили названия "светящиеся скульптуры" и "земные звезды". Именно в те годы декоративные плазменные светильники и приобрели современный вид.

Как устроен светильник «плазменный шар»?

Прозрачная стеклянная сфера установлена на подставке и заполнена смесью инертных газов под низким давлением. Шарик в середине сферы служит электродом. В цоколь лампы встроен трансформатор, который выдает на электрод переменное напряжение в несколько киловольт с частотой около 20-30 кГц.

Вторым электродом является окружающая стеклянная сфера или даже сам человек, если он прикасается к шару.

Изменяя состав газов внутри шара, можно получить «молнии» разных оттенков.

Когда Вы включаете лампу, возникает свечение в виде многочисленных электрических разрядов.

Молнии направлены по силовым линиям электрического поля. Если дотронуться пальцем до стекла, меняется электрическое поле внутри лампы, и электрические разряды смещаются в сторону контакта пальца со стеклом.

Особенно впечатляет работа плазменного шара в темноте.

Как работает плазменный шар?

Плазменный шар является газоразрядной трубкой (лампой) с инертным газом, в которой в результате ионизации газа можно наблюдать светящуюся плазму.

Несмотря на различные конструкции декоративных светильников принцип действия их одинаков.
При включении лампы носители зарядов (ионы и электроны), образующиеся в газе в результате фотоэмиссии, начинают ускоренно двигаться вдоль линий силового поля лампы. В результате ударного возбуждения и рекомбинации возникает характерное для данного газа свечение, наблюдается тлеющий разряд. Для возникновения и поддержания газового разряда в трубке требуется наличие электрического поля.

Вот прекрасное описание физики плазменного шара из книги «Динамика и информация», авт. Б.Б. Кадомцев – физик, академик АН СССР:

«Плазменный шар наполнен светящимися движущимися змейками. Каждая змейка - это плазменное образование типа слабо светящегося шнурового разряда.

Такой разряд называется тлеющим: он развивается между металлическим шаровым электродом, расположенным в центре всего устройства, и слабо проводящей металлизированной поверхностью стеклянного шара при не очень большом электрическом токе в газе низкого давления.

Каждая змейка разряда, а их может быть одновременно до двух десятков, в среднем вытянута в радиальном направлении.

Но она, как живая, все время немного изгибается и колеблется, имея несколько периодов изгиба вдоль своей длины.

На каждом из своих концов змейка имеет своеобразный трезубец, который как маленькая кошачья лапка, непрерывно шевелится, собирая заряды с соответствующего электрода.

Змейки-разряды находятся в беспрерывном движении. Кроме не прекращающегося извивания, каждая из змеек медленно поднимается вверх, очевидно в результате конвекции.

Собираясь в верхнем положении, змейки попарно сливаются между собой, и, таким образом, часть из них постоянно исчезает.

Напротив, в нижней части устройства непрерывно рождаются новые змейки, они множатся, расщепляясь надвое, и поднимаются вверх, чтобы там исчезнуть.

Вся эта картина, несмотря на свою сложность, качественно легко может быть понята с физической точки зрения.

Разумеется, теоретически гораздо проще представить себе абсолютно симметричный тлеющий разряд между внутренним и внешним электродами.Однако такой разряд неустойчив: из-за разогрева газа и понижения его локальной плотности с соответствующим понижением электросопротивления электрическому току выгоднее протекать по сравнительно узким каналам-трубкам.

Разряд распадается на плазменные шнуры. Будучи более легкими, эти шнуры всплывают вверх под действием силы Архимеда.

А взаимодействие шнуров с потоками газа и между собой приводит к образованию сложно организованной картины змеек, напоминавшей мифологическую голову медузы Горгоны.

Можно понять, почему на концах каждой змейки образуются кошачьи лапки.
Если проводимость электродов невелика, то прямо напротив разряда плотность поверхностного заряда становится меньше и концу змейки с противоположным по знаку зарядом удобно расщепиться и перебегать от точки к точке, собирая поверхностный заряд.

Плазменный шар завораживает и притягивает к себе кажущейся таинственностью: он похож на живое существо, осуществляющее сознательное движение.

В целом образуется сложная нелинейная физическая система с хаотическим типом движения. Для того, чтобы это движение поддерживалось длительное время, система должна быть открытой: через плазменный шар нужно непрерывно пропускать электрический ток от внешнего источника.

Змейки существуют только вследствие локального разогрева внутри шнурового разряда. Другими словами, внутри шнура газ должен подогреваться, а в целом все устройство находится при комнатной температуре. Избыточное тепло передается в воздух через стеклянную оболочку, т.е. плазменный шар превращает часть электрической энергии в тепло, которое рассеивается затем в окружающем пространстве».

Что можно и чего нельзя делать с плазменной лампой?

Можно без опаски прикасаться к стеклу работающего плазменного шара. «Наложением рук» на плазменный шар можно манипулировать молниями.

Если на плазменную лампу положить металлический предмет, вроде монеты, можно получить удар током или ожог, возникает электрическая дуга и прожигает стекло насквозь.

Если намочить поверхность лампы водой, то электрические разряды даже выходят за пределы стеклянного шара на несколько миллиметров. Они достаточно сильны и могут вызвать ожог.

Одновременное прикосновение к лампе и к заземленному предмету приводит к поражению электрическим током.

Если к работающей плазменной лампе просто, держа в руке, поднести неоновую, люминесцентную или любую другую газоразрядную лампу, то она начнёт светиться, т.к. в металлическом объекте, расположенном вблизи плазменного шара, индуцируется ЭДС.

Высокая напряженность электрического поля вблизи плазменной лампы может создавать помехи в работе электронной аппаратуры.

Если плазменная лампа включена достаточно долго, то появляется запах озона.

Современные газоразрядные лампы, применяемые для освещения, устроены намного разнообразнее и сложнее, чем декоративный светильник «плазменный шар».

Однако все газоразрядные лампы работают на основе электрических разрядов в газах, и их с полным основанием можно назвать плазменными. Это и широко распространенные люминесцентные лампы.

В них электрический разряд происходит в парах ртути, в результате возникает невидимое ультрафиолетовое излучение, которое затем преобразуется люминофорным покрытием в видимый свет.

Это и газосветные лампы, где мы видим свет самого газового разряда.

Это и электродосветные лампы, в которых светятся электроды, возбуждённые газовым разрядом.