Globo de plasma

Una bola de plasma, un globo de plasma o una lámpara de plasma es un recipiente de vidrio transparente lleno de gases nobles, generalmente una mezcla de neón, criptón y xenón, que tiene un electrodo de alto voltaje en el centro del contenedor. Cuando se aplica voltaje, se forma un plasma dentro del contenedor. Los filamentos de plasma se extienden desde el electrodo interior hasta el aislante de vidrio exterior, dando la apariencia de múltiples haces constantes de luz coloreada (ver descarga de corona y descarga luminosa eléctrica). Las bolas de plasma eran populares como artículos novedosos en la década de 1980.

La lámpara de plasma fue inventada por Nikola Tesla, durante su experimentación con corrientes de alta frecuencia en un tubo de vidrio al vacío con el fin de estudiar fenómenos de alto voltaje. Tesla llamó a su invento “tubo de descarga de gas inerte”. El moderno diseño de la lámpara de plasma fue desarrollado por James Falk y el estudiante del MIT Bill Parker.

Un tubo de crackle es un dispositivo relacionado lleno de cuentas de fosforo.

Construcción

Aunque existen muchas variaciones, una bola de plasma suele ser una esfera de vidrio transparente llena de una mezcla de varios gases (más comúnmente neón, a veces con otros gases nobles como argón, xenón y criptón) a una presión casi atmosférica.

Las bolas de plasma son impulsadas por corriente alterna de alta frecuencia (aproximadamente 35 kHz) a 2–5 kV. El circuito de accionamiento es esencialmente un inversor de potencia especializado, en el que la corriente procedente de un suministro de CC de bajo voltaje alimenta un circuito oscilador electrónico de alta frecuencia cuya salida es intensificada por un transformador de alto voltaje y alta frecuencia, por ejemplo, una bobina de Tesla en miniatura. o un transformador flyback. La energía de radiofrecuencia del transformador se transmite al gas dentro de la bola a través de un electrodo en su centro. Además, algunos diseños utilizan la bola como cavidad resonante, que proporciona retroalimentación positiva al transistor de accionamiento a través del transformador. Una esfera de vidrio hueca mucho más pequeña también puede servir como electrodo cuando se llena con lana metálica o un fluido conductor que está en comunicación con la salida del transformador. En este caso, la energía de radiofrecuencia se introduce en el espacio más grande mediante acoplamiento capacitivo directamente a través del cristal. Los filamentos de plasma se extienden desde el electrodo interior hasta el aislante de vidrio exterior, dando la apariencia de zarcillos móviles de luz de colores dentro del volumen de la bola (ver descarga de corona y descarga de brillo eléctrico). Si se coloca una mano cerca de la pelota, se produce un leve olor a ozono, ya que el gas se produce mediante la interacción de alto voltaje con el oxígeno atmosférico.

Algunas bolas tienen una perilla de control que varía la cantidad de energía que llega al electrodo central. En la configuración más baja que se iluminará o "encenderá" De la bola se forma un solo zarcillo. El canal de plasma de este único zarcillo ocupa suficiente espacio para transmitir esta energía de impacto más baja al mundo exterior a través del cristal de la bola. A medida que aumenta la potencia, la capacidad de este único canal se ve abrumada y se forma un segundo canal, luego un tercero, y así sucesivamente. Cada uno de los zarcillos también compite por una huella en el orbe interior. Las energías que fluyen a través de ellos tienen la misma polaridad, por lo que se repelen entre sí como cargas similares: una delgada frontera oscura rodea cada huella en el electrodo interno.

La pelota se prepara bombeando tanto aire como sea práctico. Luego, la bola se rellena con neón a una presión similar a una atmósfera. Si se enciende la energía de radiofrecuencia, si se "golpea" la pelota; o "encendido", ahora toda la bola brillará con un color rojo difuso. Si se añade un poco de argón se formarán los filamentos. Si se añade una cantidad muy pequeña de xenón, las "flores" florecerá en los extremos de los filamentos.

El neón que se puede comprar en una tienda de letreros de neón a menudo viene en frascos de vidrio a la presión de un vacío parcial. Estos no se pueden utilizar para llenar una bola con una mezcla útil. Se requieren tanques de gas, cada uno con su correspondiente regulador de presión y racor: uno para cada uno de los gases involucrados.

De los otros gases nobles, el radón es radiactivo, el helio se escapa a través del vidrio con relativa rapidez y el criptón es caro. Se pueden utilizar otros gases como el vapor de mercurio. Los gases moleculares pueden ser disociados por el plasma.

Interacción

Colocar la punta del dedo sobre el vidrio crea un punto atractivo para que fluya la energía porque el cuerpo humano conductor (que tiene una resistencia interna inferior a 1000 ohmios) se polariza más fácilmente que el material dieléctrico alrededor del electrodo (es decir, el gas dentro la bola) proporcionando una ruta de descarga alternativa que tiene menos resistencia. Por tanto, la capacidad del gran cuerpo conductor para aceptar energía de radiofrecuencia es mayor que la del aire circundante. La energía disponible para los filamentos de plasma dentro de la bola fluirá preferentemente hacia el mejor aceptor. Este flujo también hace que un único filamento, desde la bola interior hasta el punto de contacto, se vuelva más brillante y más delgado. El filamento es más brillante porque fluye más corriente a través de él y hacia el cuerpo humano, que tiene una capacitancia de aproximadamente 100 pF. El filamento es más delgado porque los campos magnéticos que lo rodean, aumentados por la corriente ahora más alta que fluye a través de él, provocan un efecto magnetohidrodinámico llamado pellizco: los propios campos magnéticos del canal de plasma crean una fuerza que actúa para comprimir el tamaño del plasma. canal mismo.

Gran parte del movimiento de los filamentos se debe al calentamiento del gas alrededor del filamento. Cuando el gas a lo largo del filamento se calienta, se vuelve más flotante y se eleva, arrastrando consigo el filamento. Si el filamento se descarga en un objeto fijo (como una mano) al costado de la bola, comenzará a deformarse en una trayectoria curva entre el electrodo central y el objeto. Cuando la distancia entre el electrodo y el objeto se vuelve demasiado grande para mantenerla, el filamento se romperá y se formará un nuevo filamento entre el electrodo y la mano (ver también La Escalera de Jacob, que exhibe un comportamiento similar).

Se produce una corriente eléctrica dentro de cualquier objeto conductor cerca del orbe. El vidrio actúa como dieléctrico en un condensador formado entre el gas ionizado y la mano.

Historia

En EE.UU. En la patente 0.514.170 ("Luz eléctrica incandescente", 6 de febrero de 1894), Nikola Tesla describe una lámpara de plasma. Esta patente es para una de las primeras lámparas de descarga de alta intensidad. Tesla utilizó una bola de lámpara de tipo incandescente con un único elemento conductor interno y excitó el elemento con corrientes de alto voltaje de una bobina de Tesla, creando así la emanación de descarga del cepillo. Obtuvo protección de patente para una forma particular de lámpara en la que un pequeño cuerpo o botón de material refractario que da luz está sostenido por un conductor que entra en una bola o receptor muy agotado. Tesla llamó a este invento lámpara de terminal único o, más tarde, "tubo de descarga de gas inerte".

El estilo Groundstar de bola de plasma fue creado por James Falk y comercializado entre coleccionistas y museos de ciencia en las décadas de 1970 y 1980. Jerry Pournelle elogió en 1984 el Omnisphere de Orb Corporation como "el objeto más fabuloso del mundo entero". y "magnífico... un nuevo tipo de objeto de arte", que dice "no puedes comprar el mío por ningún precio".

La tecnología necesaria para formular mezclas de gases utilizadas en las esferas de plasma actuales no estaba disponible para Tesla. Las lámparas modernas suelen utilizar combinaciones de xenón, criptón y neón, aunque se pueden utilizar otros gases. Estas mezclas de gases, junto con diferentes formas de vidrio y componentes electrónicos impulsados por circuitos integrados, crean los colores vivos, la variedad de movimientos y los patrones complejos que se ven en las esferas de plasma actuales.

Aplicaciones

Las bolas de plasma se utilizan principalmente como curiosidades o juguetes por sus efectos de iluminación únicos y los "trucos" que los usuarios pueden realizar sobre ellos moviendo sus manos alrededor de ellos. También podrían formar parte del equipo de laboratorio de una escuela con fines de demostración. No suelen utilizarse para iluminación general. Sin embargo, en los últimos años, algunas tiendas de novedades han comenzado a vender luces nocturnas con bolas de plasma en miniatura que se pueden montar en un casquillo de luz estándar.

Las bolas de plasma se pueden utilizar para experimentar con altos voltajes. Si se coloca una placa conductora o una bobina de alambre sobre la bola, el acoplamiento capacitivo puede transferir suficiente voltaje a la placa o bobina para producir un pequeño arco o energizar una carga de alto voltaje. Esto es posible porque el plasma dentro de la bola y el conductor fuera de ella actúan como placas de un condensador, con el vidrio en el medio como dieléctrico. Un transformador reductor conectado entre la placa y el electrodo de la bola puede producir una salida de radiofrecuencia de menor voltaje y mayor corriente. Es esencial una conexión a tierra cuidadosa para evitar lesiones o daños al equipo.

Peligros

Acercar materiales conductores o dispositivos electrónicos a una bola de plasma puede hacer que el vidrio se caliente. La energía de radiofrecuencia de alto voltaje acoplada a ellos desde el interior de la bola puede provocar una leve descarga eléctrica a la persona que la toca, incluso a través de una carcasa protectora de vidrio. El campo de radiofrecuencia producido por las bolas de plasma puede interferir con el funcionamiento de los paneles táctiles utilizados en computadoras portátiles, reproductores de audio digitales, teléfonos celulares y otros dispositivos similares. Algunos tipos de bolas de plasma pueden irradiar suficientes interferencias de radiofrecuencia (RFI) como para interferir con teléfonos inalámbricos y dispositivos Wi-Fi a varios pies o algunos metros de distancia.

Si un conductor eléctrico toca el exterior de la bola, el acoplamiento capacitivo puede inducir suficiente potencial en ella para producir un pequeño arco. Esto es posible porque el vidrio de la bola actúa como un condensador dieléctrico: el interior de la lámpara actúa como una placa y el objeto conductor del exterior actúa como la placa del condensador opuesta. Esta es una acción peligrosa que puede dañar la pelota u otros dispositivos electrónicos y presenta un riesgo de incendio.

Se pueden formar cantidades perceptibles de ozono en la superficie de una bola de plasma. Muchas personas pueden detectar ozono en concentraciones de 0,01–0,1 ppm, que está justo por debajo de la concentración más baja en qué ozono se considera perjudicial para la salud. La exposición a 0,1 a 1 ppm produce dolores de cabeza, ardor en los ojos e irritación de las vías respiratorias.