Плазменный шар - Plasma globe
Плазменная лампа или плазменная лампа (также называемый плазменным шар , купол , сфера , трубка или шар , в зависимости от формы) представляет собой прозрачный стекло контейнер / шар наполнен смесью различных благородных газов с высоковольтным электродом в центре контейнер.
При приложении напряжения внутри контейнера образуется плазма . Плазменные нити проходят от внутреннего электрода к внешнему стеклянному изолятору, создавая вид множества постоянных лучей цветного света (см. Коронный разряд и электрический тлеющий разряд ). Плазменные шары были самыми популярными в качестве новинок в 1980-х годах.
Плазменная лампа была изобретена Никола Тесла , во время его экспериментов с высокочастотными токами в вакуумированной стеклянной трубке с целью изучения высоких напряжений явлений. Тесла назвал свое изобретение « разрядной трубкой с инертным газом ». Современная конструкция плазменной лампы была впоследствии разработана Джеймсом Фальком и студентом Массачусетского технологического института Биллом Паркером .
Описание
Хотя существует множество разновидностей, плазменная лампа обычно представляет собой прозрачную стеклянную сферу, заполненную смесью различных газов (чаще всего неона , иногда с другими благородными газами, такими как аргон , ксенон и криптон ) при почти атмосферном давлении. Потрескивание трубка является связанным устройством заполнен люминофором покрытия шариков. Лампы Плазменные управляются высокой частотой (приблизительно 35 кГц ) переменный ток на 2-5 кВ . Схема возбуждения - это, по сути, специализированный инвертор мощности , в котором ток от источника постоянного тока более низкого напряжения питает цепь высокочастотного электронного генератора , выход которой повышается с помощью высокочастотного высоковольтного трансформатора . Радиочастотная энергия от трансформатора передается в газ внутри шара через электрод в его центре. Кроме того, в некоторых конструкциях земной шар используется в качестве резонансной полости, которая обеспечивает положительную обратную связь с управляющим транзистором через трансформатор. Полый стеклянный шар гораздо меньшего размера может также служить электродом, когда он заполнен металлической ватой или проводящей жидкостью, которая сообщается с выходом трансформатора. В этом случае радиочастотная энергия попадает в большее пространство за счет емкостной связи прямо через стекло. Плазменные нити проходят от внутреннего электрода к внешнему стеклянному изолятору, создавая видимость движущихся завитков цветного света в объеме шара (см. Коронный разряд и электрический тлеющий разряд ). Если поднести руку к земному шару, появится слабый запах озона , поскольку этот газ образуется при взаимодействии высокого напряжения с кислородом воздуха.
У некоторых шаров есть ручка управления, которая изменяет количество энергии, поступающей на центральный электрод. При самом низком значении, при котором земной шар освещается или «ударяется», создается единственный усик. Плазменный канал этого единственного усика занимает достаточно места для передачи этой самой низкой энергии удара во внешний мир через стекло земного шара. По мере увеличения мощности пропускная способность этого единственного канала становится недостаточной, и формируется второй канал, затем третий и так далее. Все усики также соревнуются за след на внутренней сфере. Энергии, протекающие через них, имеют одинаковую полярность, поэтому они отталкиваются друг от друга как одинаковые заряды: тонкая темная граница окружает каждый след на внутреннем электроде.
Помещение кончика пальца на стекло создает привлекательное место для прохождения энергии, потому что проводящее человеческое тело (имеющее неомическое сопротивление около 1000 Ом при комнатной температуре) поляризуется легче, 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 преимущественно течь к лучшему акцептору. Этот поток также заставляет одну нить от внутреннего шара до точки контакта становиться ярче и тоньше. Нить накала ярче, потому что через нее проходит больший ток на емкость 150 пФ, или емкость , представленную объектом, проводящим телом размером с человека. Нить тоньше, потому что магнитные поля вокруг нее, усиленные теперь более высоким током, протекающим через нее, вызывают магнитогидродинамический эффект, называемый самофокусировкой : собственные магнитные поля плазменного канала создают силу, действующую для сжатия размера самого плазменного канала. .
По большей части движение волокон происходит из-за нагрева газа вокруг волокна. Когда газ, идущий вдоль нити, нагревается, он становится более плавучим и поднимается вверх, унося нить с собой. Если нить накала разряжается в неподвижный объект (например, руку) на стороне земного шара, она начнет деформироваться, образуя искривленную траекторию между центральным электродом и объектом. Когда расстояние между электродом и объектом становится слишком большим, чтобы выдерживать его, нить разрывается, и новая нить образуется между электродом и рукой (см. Также Лестницу Иакова , которая демонстрирует аналогичное поведение).
Электрический ток возникает внутри любого проводящего объекта рядом с шаром. Стекло действует как диэлектрик в конденсаторе, образованном между ионизированным газом и рукой.
Глобус готовится путем откачки максимально возможного количества воздуха. Затем земной шар заполняется неоном до давления, равного одной атмосфере. Если включить радиочастотное питание, если земной шар "ударит" или "загорится", теперь весь земной шар будет светиться диффузным красным светом. Если добавить немного аргона, образуются нити. Если добавить очень небольшое количество ксенона, «цветы» распустятся на концах нитей.
Неон, который можно купить в магазине неоновых вывесок, часто бывает в стеклянных колбах под давлением частичного вакуума. Их нельзя использовать для наполнения шара полезной смесью. Требуются баллоны с газом, каждый со своим определенным, надлежащим регулятором давления и фитингом: по одному для каждого из газов.
Из других благородных газов, радон является радиоактивным , гелий выходит через стекло относительно быстро, и криптон довольно дорого. Могут использоваться и другие газы, например пары ртути . Молекулярные газы могут диссоциировать плазмой.
История
В патенте США № 0,514,170 («Электрический свет накаливания», 6 февраля 1894 г.) Никола Тесла описывает плазменную лампу. Это патент на одну из первых газоразрядных ламп высокой интенсивности. Тесла использовал шар лампы накаливания с единственным внутренним проводящим элементом и возбудил элемент токами высокого напряжения от катушки Тесла , создавая тем самым излучение щеточного разряда. Он получил патентную защиту на определенном виде лампы , в которой свет дает малое тело или кнопку из огнеупорного материала поддерживается с помощью проводника , входящего в очень высоко истощенную земной шар или приемник. Тесла назвал это изобретение лампой с одним выводом или, позднее, «газоразрядной трубкой».
Плазменный глобус в стиле Groundstar был создан Джеймсом Фальком и продавался коллекционерам и научным музеям в 1970-х и 1980-х годах. Джерри Пурнелле в 1984 году похвалил Omnisphere корпорации Orb как «самый сказочный объект во всем мире» и «великолепный ... новый вид арт-объекта», заявив, что «шахту нельзя купить ни за какую цену».
Технология, необходимая для создания газовых смесей, используемых в сегодняшних плазменных сферах, не была доступна Tesla. В современных лампах обычно используются комбинации ксенона , криптона и неона , хотя можно использовать и другие газы. Эти газовые смеси, наряду с различными формами стекла и электроникой на интегральных схемах, создают яркие цвета, диапазон движений и сложные узоры, которые можно увидеть в сегодняшних плазменных сферах.
Приложения
Плазменные шары в основном используются в качестве диковинок или игрушек из-за их уникальных световых эффектов и «трюков», которые пользователи могут выполнять с ними, перемещая вокруг них руки. Они также могут быть частью школьного лабораторного оборудования в демонстрационных целях. Обычно они не используются для общего освещения. Однако в последние годы некоторые магазины новинок начали продавать миниатюрный ночник с плазменной лампой, который можно установить на стандартную розетку.
Плазменные шары можно использовать для экспериментов с высокими напряжениями. Если на глобус помещается токопроводящая пластина или катушка с проволокой, емкостная связь может передавать достаточно напряжения на пластину или катушку, чтобы вызвать небольшую дугу или возбудить высоковольтную нагрузку . Это возможно, потому что плазма внутри шара и проводник за его пределами действуют как пластины конденсатора, а стекло между ними - как диэлектрик. Понижающий трансформатор, подключенный между пластиной и глобусным электродом, может выдавать более низкое напряжение и более высокий ток на выходе радиочастоты. Тщательное заземление необходимо для предотвращения травм или повреждения оборудования.
Опасности
Поднесение проводящих материалов или электронных устройств к плазменному шару может привести к нагреванию стекла. Радиочастотная энергия высокого напряжения, передаваемая с ними изнутри земного шара, может вызвать легкий электрический шок у человека, к которому прикасается, даже через защитный стеклянный корпус. Радиочастотный поле , создаваемое плазменных ламп может создавать помехи в работе сенсорных подушечками , используемых на портативных компьютерах , цифровых аудио плееров , сотовых телефонов и других подобных устройств. Некоторые типы плазменных шаров могут излучать достаточно радиочастотных помех (RFI), чтобы создавать помехи для беспроводных телефонов и устройств Wi-Fi на расстоянии нескольких футов или нескольких метров.
Если электрический проводник касается внешней части земного шара, емкостная связь может вызвать на нем достаточно потенциала для образования небольшой дуги . Это возможно, потому что стекло глобуса действует как диэлектрик конденсатора : внутренняя часть лампы действует как одна пластина, а проводящий объект снаружи действует как противоположная пластина конденсатора. Это опасное действие, которое может повредить земной шар или другие электронные устройства и представляет опасность возгорания.