Plazmová guľa je fascinujúce zariadenie, ktoré kombinuje estetický vzhľad s vedeckými princípmi. Vytvára pútavý vizuálny efekt elektrických výbojov a zároveň slúži ako antistresová dekorácia. Možno ste sa už stretli s plazmovou guľou a premýšľali ste, ako tento zaujímavý objekt funguje. Tento podrobný sprievodca skúma, čo robí plazmovú guľu takým fascinujúcim a komerčne hodnotným produktom osvetlenia na dnešnom trhu. Čerpajúc zo skutočných výrobných znalostí z Osvetlenia TIANHUA a priemyselných poznatkov spojených s REDIGLE, tento článok vysvetľuje, ako a Plazmová guľa funguje, kde sa používa, ako si vybrať ten správny model a prečo stále priťahuje spotrebiteľov aj profesionálnych kupujúcich.
Čo je plazma? Štvrté skupenstvo hmoty
Plazma je po pevnom, kvapalnom a plynnom skupenstve štvrtým skupenstvom hmoty. Vzniká po elektrickom nabití častíc plynu alebo kvapaliny. Podobný materiál je možné nájsť v plazmových obrazovkách alebo tzv. plazmových guľách. Plazma sa často označuje ako štvrté skupenstvo hmoty a astronómovia uvádzajú, že tvorí až 99 % pozorovanej hmoty vo vesmíre. Vo svojej podstate je plazma vysoko ionizovaný plyn, ktorý vzniká ionizáciou - roztrhnutím molekúl viacatómových plynov alebo odtrhnutím elektrónov z elektrónového obalu jednoatómových plynov.
Prvýkrát plazmu charakterizoval v roku 1879 anglický chemik a fyzik William Crookes, objaviteľ chemického prvku tálium. Crookes nazval plazmu radian mater, čiže žiarivá hmota.
Plazma je najrozšírenejšou formou hmoty vo vesmíre. Býva tiež často, avšak nie vždy správne označovaná ako jej štvrté skupenstvo. Plazmou sa za určitých predpokladov označuje čiastočne alebo plne ionizovaný plyn, to je zmes atómových jadier a elektrónov uvoľnených z atómového obalu, prípadne určitého množstva neutrálnych atómov a ďalších častíc. Ionizácia atómov sa dá predstaviť ako prekonanie príťažlivej elektrickej sily medzi kladne nabitým atómovým jadrom a záporne nabitým elektrónom tým, že sa atómu dodá dostatočné množstvo energie. Silným ohriatím ostatných skupenstiev tak nakoniec vzniká plazma. Plazma tvorí viac ako 99% známeho vesmíru, v pozemských podmienkach je však vďaka príliš nízkym teplotám, a tiež nízkym energiám, zastúpená len riedko. Môžeme ju vidieť ako polárnu žiaru, blesk alebo oheň.
Vlastnosti plazmy
Medzi základné charakteristické vlastnosti plazmy patrí stupeň ionizácie a teplota. Stupeň ionizácie je možné definovať ako pomer počtu ionizovaných častíc k celkovému počtu častíc a závisí predovšetkým od teploty plazmy. Podľa stupňa ionizácie je možné plazmu rozdeliť na slabo a silno ionizovanú.
Teplota plazmy je mierou tepelnej kinetickej energie pripadajúcej na jednu časticu a uvádza sa v Kelvinoch alebo v elektrónvoltoch. Na udržanie vyšších stupňov ionizácie sú zvyčajne potrebné vysoké teploty. Podľa teploty je možné plazmu charakterizovať ako vysokoteplotnú a nízkoteplotnú.
- Vysokoteplotná plazma: Má teplotu vyššiu ako milión Kelvinov a vyskytuje sa vo hviezdach, resp. pri termonukleárnej syntéze.
- Nízkoteplotná plazma: V nízkoteplotnej plazme môžu mať ióny teplotu od niekoľko tisíc Kelvinov až po teplotu okolia, v závislosti od použitého plynu a stupňa ionizácie. Nízkoteplotná plazma sa vyskytuje napríklad v elektrickom oblúku, elektrických žiarivkách alebo výbojkách.
Plazma, zmes prevažne nabitých častíc, je navonok elektricky neutrálna. Dôvodom je skutočnosť, že kladný elektrický náboj je vyvažovaný nábojom záporným. Pokiaľ sa v nejakej jeho časti vyskytne väčšia oblasť s prevahou kladne alebo záporne nabitých častíc, dôjde veľmi rýchlo k pritiahnutiu chýbajúcich častíc opačného náboja pôsobením elektrických síl z okolia. Pokiaľ by sme napríklad odobrali elektróny z 1 cm3 ľubovoľného predmetu v štartujúcej rakete a umiestili ich pod ňu, príťažlivá elektrická sila bude natoľko veľká, že ju neprekoná ani sila raketových motorov. Hovoríme o plazme musí byť zastúpenie elektricky nabitých častíc také, aby vyššie spomenuté elektrické sily prevládali nad ostatnými a častice plazmi ukazovali kolektívne chovanie. Plazma sa chová ako jeden celok.
Plazmová guľa: História a princíp fungovania
Plazmová guľa je dekoratívne a interaktívne osvetľovacie zariadenie pozostávajúce z čírej sklenenej gule naplnenej vzácnymi plynmi a vysokonapäťovej elektródy v jej strede. Hoci koncept objavil už Nicola Tesla v roku 1894, modernú podobu plazmovej lampy prvýkrát vyrobil Bill Parker z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) v roku 1970, pričom jej zdokonaľovanie trvalo ďalších 20 rokov.
Ako funguje plazmová guľa?
Princíp činnosti plazmovej gule má korene v základnej fyzike plazmy. V skratke, plazmová guľa funguje na princípe ionizácie plynu pomocou vysokofrekvenčného elektrického poľa.
Plazmové lampy sú zvyčajne sklené gule naplnené zmesou inertných plynov pri nižšom tlaku, napájané vysokofrekvenčným (10 - 35 kHz) zdrojom vysokého napätia (2 - 5 kV). Ide o sklenenú guľu plnenú inertným plynom (napr. argónom). Tlak plynu je nízky, v komerčne vyrábaných plazmových lampách sa pohybuje okolo jednej stotiny atmosféry. Uprostred sa nachádza kovová elektróda pripojená na vysokonapäťový transformátor pracujúci so striedavým prúdom.
Po zapnutí vzniká v plyne mnohonásobný výboj medzi elektródou a skleneným povrchom. Priložený adaptér prevádza striedavé napätie 230 V na bezpečné jednosmerné napätie 5-10 V. V tranzistorovom obvode je potom generované striedavé napätie 5-20 kV s frekvenciou 10-40 kHz, ktoré sa privádza na elektródu. Medzi ňou a povrchom vzniká silné elektrické pole.
Elektróny urýchlené poľom sa zrážajú s atómami plynu a spôsobujú ich excitáciu a ionizáciu. V miestach s vyššou koncentráciou ionizovaných častíc vzniká prúdový kanál. V jeho blízkosti nastáva značná excitácia atómov plynu. Hneď ako nastane deexcitácia, vyžiari sa viditeľné svetlo.
Vznik svetelných vlákien
Menšia guľôčka v strede PL je elektróda. Z nej sa pri dostatočnom napätí uvoľňujú elektróny do okolitého plynu. Elektrické pole elektróny ďalej urýchľuje. Pri zrážkach odovzdávajú časť svojej kinetickej energie atómom plynu. Ak je odovzdaná energia dostatočná, dochádza k excitácii (vybudeniu) atómov, prípadne k ich ionizácii. Elektróny uvoľnené pri ionizácii ďalej ionizujú okolité atómy. Prebiehajú aj opačné procesy zachytenia elektrónov na iónoch a atómoch. Po istom čase sa v plazme ustáli rovnováha v priemernom počte zachytených a uvoľnených elektrónov.
Elektrické pole pôsobí aj na ióny. Tie však majú hmotnosti tisíckykrát vyššie ako elektróny a urýchľujú sa na oveľa nižšie rýchlosti. K ionizácii a excitácii tak dochádza najmä vďaka elektrónovo-atómovým zrážkam.
Charakteristické svetelné vlákna medzi vnútornou elektródou a vonkajším skleným plášťom PL vznikajú pri deexcitácii atómov. Elektrón z plazmy pri excitácii odovzdá časť svojej energie elektrónu v atóme. Spôsobí tým jeho prechod na hladinu s vyššou energiou, ktorá je nestabilná. Elektrón sa potom v krátkom čase vráti na pôvodnú hladinu (deexcitácia) a rozdiel energií vyžiari vo forme fotónu.
Pri vhodnom rozdiele energií hladín je vyžiarený fotón viditeľného svetla. Hodnoty energií hladín sú kvantované, takže vyžiarené fotóny majú len určitú energiu, a teda len určitú farbu (vlnovú dĺžku) charakteristickú pre daný typ atómu. Ak by sme chceli zmeniť farbu svetla, museli by sme plazmovú lampu naplniť iným plynom (alebo zvýšiť napätie - došlo by k obsadeniu väčšieho množstva excitovaných hladín).
Dôležitú úlohu tu zohráva tlak plynu. Čím je tlak nižší, tým jednoduchšie „vyrobíme“ plazmu. Elektróny totiž prejdú dlhšiu dráhu medzi zrážkami, čím získajú vyššiu energiu od elektrického poľa. Stačilo by preto menšie napätie. Pri príliš nízkom tlaku by však plazma začala svietiť v celom objeme lampy (nijaké vlákna). Pri príliš vysokom tlaku by bolo treba veľmi veľké napätie a opäť by nevznikli stabilné vlákna.
Tlak plynu v PL je preto vyladený asi na 260 - 1 000 Pa (asi 3/1 000 - 1/100 atmosférického tlaku). Pri tomto tlaku sú v PL obrovské množstvá atómov (viac ako 2 500 atómov na hrúbku ľudského vlasu), takže k zrážkam elektrónov s atómami dochádza pomerne často. Nevyhnutné je preto napätie 2 000 - 10 000 V, aby dochádzalo k ionizácii atómov.
Na začiatku sú procesy ionizácie a excitácie v plazme náhodné. Vďaka uvoľneným elektrónom však tečie v oblasti, kde prebieha ionizácia, silnejší prúd a je tam nižší elektrický odpor. V pôvodne homogénnom plyne tak vznikajú teplejšie ionizovanejšie oblasti s nižším odporom. Do nich je „pumpovaných“ viac elektrónov ako do okolitého plynu, vďaka čomu viac žiaria. To je forma pozitívnej spätnej väzby, ktorá vytvára a udržuje svetelné vlákna.
Ako vyrobiť plazmovú guľu od základov! Je to jednoduchšie, ako si myslíte?
Plazmová guľa ako kondenzátor a anténa
PL je v podstate kondenzátor. Jedna elektróda je v jej strede, druhá sa nachádza v jej podstavci spolu s ostatnou elektronikou. Aby kondenzátorom mohol tiecť prúd a medzi jeho elektródami bolo napätie postačujúce na ionizáciu, potrebujeme na jeho elektródy priviesť vysoké napätie s čo najvyššou frekvenciou.
Elektróny tak prechádzajú tam a späť medzi elektródou a vonkajším skleným obalom lampy. Frekvencia poľa v PL musí byť o to vyššia, že jej elektródy sú oveľa ďalej než elektródy bežného kondenzátora. V podstate je plazmová lampa anténou vysielajúcou do svojho okolia elektromagnetické pole.
Technické parametre a bezpečnosť
Presné technické parametre sa môžu líšiť v závislosti od konkrétneho modelu plazmovej gule. Nižšie uvádzame typické hodnoty:
| Parameter | Typická hodnota |
|---|---|
| Frekvencia zdroja vysokého napätia | 10 - 40 kHz |
| Napätie | 2 - 20 kV |
| Tlak plynu | 260 - 1 000 Pa |
| Typ plynu | Neón, hélium, xenón, kryptón (zmes) |
Bezpečnosť a vplyv na okolie
Kým pohyb elektrónov je obmedzený sklenou stenou, pole preniká voľne do priestoru. Intenzita poľa v priestore okolo PL postačuje dokonca na zažatie výbojky. Ľahko sa tiež dá presvedčiť, že vodivé objekty v okolí PL vplývajú na jej pole. Menia jeho tvar, a tým sa mení aj poloha, počet a intenzita jednotlivých svetelných vlákien v lampe.
Dotyk ruky môže spôsobiť, že v PL bude len jedno jasné vlákno od elektródy k ruke. Netreba sa báť, elektrický prúd vybudený poľom PL prechádza len tenkou vrstvou pokožky. Nebezpečnejšie môže byť, ak sa do blízkosti PL (alebo priamo do kontaktu s ňou) dostanú kovové predmety. Elektróny v nich kmitajú s frekvenciou poľa, čím sa tieto predmety zahrievajú. Môže tiež dochádzať ku skratom, či iskreniu. Nie je preto vhodné dávať PL blízko elektrospotrebičov. Ak dáte k plazmovej lampe nos, zacítite typický zápach ozónu. Ten vzniká pôsobením jej elektromagnetického poľa. Ozón vo vysokých koncentráciách môže byť pre človeka nebezpečný. Táto guľa je vyrobená s maximálnym dôrazom na bezpečnosť. Plazmová guľa je takmer tichá.
Využitie plazmovej gule a plazmy
Pretrvávajúca popularita Plazmovej gule vychádza z jedinečnej kombinácie vedy, umenia a interakcie s používateľom. Plazmová guľa je prekvapivo všestranná.
Plazmová guľa sa využíva predovšetkým ako dekoratívny prvok a antistresová pomôcka. Vďaka svojim fascinujúcim svetelným efektom dokáže upútať pozornosť a vytvoriť príjemnú atmosféru. Je tiež obľúbená ako darček pre deti aj dospelých.
Zábava s fyzikou a experimenty pre deti
S plazmovou guľou sa dá zažiť veľa zábavy a zároveň sa nenásilnou formou učiť o fyzikálnych javoch. Je to skvelý spôsob, ako prebudiť záujem detí o vedu. Pokusy pre deti sú kombináciou zábavy a poučenia. Deti sa formou zážitku a aktivity, ktorú sami realizujú dopracujú k výsledku, ktorý ich zaujme aj poučí. Bez ohľadu na vek dieťaťa, bezpečnosť je vždy na prvom mieste.
Možné Experimenty s Plazmovou Guľou:
- Pozorovanie výbojov: Sledujte, ako sa menia výboje v závislosti od vzdialenosti ruky od gule.
- Použitie vodivých predmetov: Priložte k guli rôzne vodivé predmety (napr. kovové predmety) a sledujte, ako sa mení správanie výbojov.
- Experimentovanie s rôznymi plynmi: Ak máte možnosť, vyskúšajte plazmovú guľu s rôznymi plynmi a sledujte, ako sa mení farba a intenzita výbojov.
Plazma a jej využitie v medicíne
Vdychovanie prúdu elektricky nabitého plynu by mohlo byť novým liekom proti nachladnutiu. Odborníci tvrdia, že prúd tzv. studenej plazmy dokáže deaktivovať vírusy a tým pádom zabrániť ich šíreniu v tele.
Podľa jej zistení stačí vírusy na pár minút vystaviť prúdu ionizovaného plynu, teda plazme, a vírusy stratia schopnosť sa replikovať. To znamená, že sa nemôžu rozmnožovať, šíriť po tele a spôsobovať ochorenie. Zimmermannová v štúdii zverejnenej v magazíne Journal of Physics D: Applied Physics uviedla, že prúd studenej plazmy dokáže za 240 sekúnd deaktivovať takmer všetky vírusy. Nažive ostal len jeden z milióna.
„Studená plazma je potenciálne veľmi efektívnym spôsobom kontroly virálnych infekcií,“ myslí si nemecká vedkyňa. Výskumníci už pracujú na vývoji technológie na liečbu infekcií respiračného systému a získali povolenie na otestovanie zariadenia na zvieratách. Podľa vedcov by sa totiž plazma mohla vdychovať priamo do pľúc a tým podstatne uľahčiť imunitnému systému pacienta v boji proti vírusom.
Už predchádzajúce výskumy ukázali, že studená plazma je efektívna v ničení baktérií a dokáže sterilizovať vodu až na sedem dní.
Delenie materiálov plazmou
Rezanie plazmovým oblúkom využíva vysokú teplotu plazmy, ktorá niekoľkokrát prevyšuje teplotu tavenia aj tepelne najodolnejších materiálov. Na začiatku procesu riadiaca jednotka privedie vysokofrekvenčné napätie medzi medenú dýzu rezacieho horáka a elektródu. Tým dôjde k vzniku tzv. pilotného oblúka a k ionizácii plazmového plynu, ktorý sa do horáka privádza prívodnými hadicami spolu s ochranným a fokusačným plynom z tlakových fliaš cez riadiacu jednotku.
Výroba plazmovej gule svojpomocne
Ak by ste chceli túto dekoráciu, nemusíte si ju vôbec kupovať, ale jednoducho si ju vyrobíte sami a to skoro zadarmo. Stačí vám k tomu zopár súčiastok, riadny chladič na tranzistor, nejaké to VN trafo zo starej telky. Z vysokonapäťového trafa odstránime primárne vinutia, sekundárne ponecháme a namiesto primárnych navinieme tri a päť závitov hrubším drôtom (1-1,5mm) s odbočkou v strede. Studený koniec trafa spojíme so záporným pólom zdroja a ten sa MUSÍ uzemniť o radiátor, vodovod a pod. Na živý koniec pripojíme obyčajnú 100W žiarovku a zábavka za pár tisíc je na svete. Ja som použil VN trafo z nejakej riadne starej elektrónkovej telky, cievka bola navinutá na kostričke z bakelitu a vrchný obal trafa boli asi dve vrstvy nejakej fólie a hrubšia vrstva parafínu. Lampa funguje na 230V zapojením do elektrickej siete. Na elektrickom kábli je klasický spínač.
POZOR! V zapojení sa pracuje s vysokým napätím niekoľko tisíc voltov, preto nesiahajte na výstup trafa. Toto napätie nemusí byť smrteľné, no môže v mieste dotyku spôsobiť popálenie kože. Táto konštrukcia nie je vhodná pre začiatočníkov. Autor neručí za prípadné škody a poranenia spôsobené zariadením!!!
