Jak funguje plazmová koule?

čtvrtek 31. prosinec 2009 04:11

Plazmová koule je zajímavá fyzikální hříčka, která se používá pro dekorativní i výukové účely. Jejím autorem je fyzik William Parker, který ji v roce 1973 zkonstruoval při pokusech s elektrickými výboji v neonu a argonu (viz US patent 1, 2, 3). Plazmové koule byly nejvíce populární v 80. letech minulého století, kdy se staly efektním, leč zhola bezúčelným doplňkem interiéru téměř každé kosmické lodi nebo alespoň futuristické vědecké laboratoře ve sci-fi filmech.

Elektrodový výboj je napájen střídavým proudem o frekvenci 10 - 35 kHz a napětí 2 - 5 kV, ale velké koule mohou pracovat i s napětím až 35 tisíc voltů. V důsledku toho plazmový míč poměrně silně vyzařuje do okolí parazitní frekvence v rádiovém spektru, o čemž se můžete přesvědčit tím, že k zapnuté kouli přiblížíte úspornou žárovku nebo zářivku, která se rozsvítí energií vyzařovanou do vzduchu. Projevuje se to také tím, že plazmová koule ruší příjem rádia a televize a působí problémy počítačovým periferiím. Zvlášť v laciném provedení, kdy je koule napájena přímo z USB portu obvykle přestává fungovat počítačová myš, pokud je koule zapojena do téhož počítače nebo klávesnice generuje náhodné znaky. Podobné problémy nastávají v blízkosti plazmové koule i s mobilními telefony, LCD obrazovkami nebo kalkulačkami a osoby s kardiostimulátorem nebo defibrilátorem by se neměly plazmové koule za chodu dotýkat.

Co se výběru plynu týče, lehké plyny, jako je helium, se díky své nízké atomové hmotnosti chovají jako zředěný plyn i za normálního tlaku - proto se s ním také plní balóny. Lehký plyn obsahuje hodně atomů a proto je jeho výboj vodivý i při relativně vysokém tlaku, kdy je výboj vysoce svítivý. Ale ionizované helium vyzařuje vzhledem ke svým malým atomům převážně v ultrafialové oblasti, protože drobné atomy poutají své elektrony poměrně silně a plazmová koule plněná čistým heliem září jen nevýrazně modře. Těžší atomy poutají elektrony slaběji a barva výboje se přesouvá do viditelné oblasti spektra. Proto se pro barevné koule používá nejčastěji neon, který září sytě růžově (barvu neonu určitě znáte z doutnavek vypínačů na schodištích). Neon má také výhodu v tom, že se velmi snadno ionizuje, a to dokonce nejsnáze z běžných plynů - zápalné napětí neónové doutnavky je nižší než 70 voltů. K ionizaci plynů dochází přeskoky a nárazy elektronů, které jsou elektrickým polem mezi sklem a centrální elektrodou urychlovány. V čistém vakuu by elektrony mohly postupně získat obrovskou rychlost až několika desítek kilometrů za sekundu - v plynech však dochází k tomu, že jakmile rychlost elektronů dosáhne několika stovek metrů / sec, roztříští nárazem na atomy jejich elektronové obaly za uvolnění dalších elektronů, které při návratu zpět k atomům vyzáří energii v podobě světla. Elektrony jsou tímto způsobem plynem neustále brzděny jako člověk, který se prodírá zástupem a jejich rychlost zůstává víceméně stálá po celé dráze výboje - asi jako když se sněhová vločka snáší k zemi.

Plasmová koule, plněná směsí 95% neonu a 5% xenonu

Těžké vzácné plyny (krypton, xenon) obsahují v atomech mnoho elektronů, které vyzařují množství čar pro celé šířce spektra - jejich výboje jsou proto velmi svítivé, ale z hlediska barvy poměrně nudné, protože převážně svítí bíle. Těžké atomy však své elektrony uvolňují lavinovitě - nárazem iontu se z atomu vysype mnoho dalších elektronů, které mohou po urychlení ionizovat další atomy. Proto mají tyto plyny sklon k tvorbě trsovitých až keříčkovitých výbojů a přidávají se k lehčím plynům, aby se výboj stal pohyblivější a zajímavější. Nejběžnější plazmové koule (jako je ta svítící růžovofialově  na obrázku výše) jsou plněny směsí 95% neonu a 5% xenonu, plazmová koule s oranžovými trsy a zelenými provazci na obrázku níže obsahuje směs 95% neonu s 2.5% xenonu a 2.5% kryptonu při tlaku 20 torrů. Torr je starší jednotka tlaku pojmenovaná po italském fyziku Torricelim a odpovídá milimetrům rtuťového sloupce, používaném ve rtuťovém barometru. Atmosferický tlak činí asi 760 torrů, za čehož vyplývá, že plyn je v kouli zředěn asi 50x oproti normálnímu tlaku. Jak již bylo uvedeno, provazcovité výboje a trsy vznikají lavinovitým mechanismem, který je při nižším tlaku potlačen, protože ionizované atomy musí urazit velkou dráhu, než se opět srazí. Při nižším tlaku proto v plynu nevznikají provazcovité výboje, jen difúzní koróna, která září jen slabě.

Plazmová koule plněná směsí 95% neonu s 2.5% xenonu a 2.5% kryptonu

Při vyšším tlaku se výboj stává trsovitý až keříčkovitě rozvětvený jako u normálních blesků a stoupá jeho svítivost, ovšem tím také stoupá zápalné napětí, nutné pro vznik výboje. S rostoucím tlakem také narůstá počet čar ve spektrech v důsledku čím dál složitější vzájemné interakce atomů a mění se v souvislé pásy bez preferovaných barev. Z tohoto důvodu se vysokotlaké xenonové výbojky používají jako zdroje čistého bílého světla v automobilech, kinoprojektorech a všude tam, kde je zapotřebí intenzívní zdroj bodového světla. Výrobci plazmových koulí občas přidávají do plynů různé další přísady podle svých tajných receptů - např. páry bromu nebo jodu, které snižují zápalné napětí směsi plynů a fungují jako "katalyzátory". Jejich atomy vyzařují v silně krátkovlnné, ultrafialové části spektra, čímž okolní plyn ionizují a tím současně zvyšují intenzitu viditelného světla i vodivost výboje.

Plazmová koule plněná čistým kryptonem a xenonem

Výboj plazmové koule je uzavírán okolním vzduchem, který se na povrchu koule ionizuje a poněkud zapáchá ozónem v důsledku korónového výboje. Ten je však u běžných koulí velmi slabě viditelný, protože dusík vyzařuje v ultrafialové oblasti. Dotykem se korónový výboj na povrchu koule zkratuje, protože lidské tělo je vzhledem k vysokému obsahu vody mnohem vodivější než vzduch a provazce plazmy se soustřeďují do místa dotyku. Právě toto chování činí plazmovou kouli tak populární - je to interaktivní hračka! Výboj má přitom jen nízkou proudovou intenzitu, takže nám neublíží. Neucítíme ani jeho brnění - vysokofrekvenční elektrický proud prochází totiž povrchem těla v důsledku tzv. skinefektu. Ten si můžeme znázornit např. na vedení proudu vody střídavým směrem sem a tam v elastické zahradní hadici. Pokud bude hadice velmi pružná, její stěny se budou podávat změnám tlaku a sloupec vody v ose hadice zůstane v klidu - voda se bude pohybovat jen v tenké vrstvě pod povrchem hadice. Tím, že je proud soustředěn v tenké vrstvě kůže na povrchu (anglické slovo "skin" znamená kůže) ji však v daném místě silně zahřívá a proto, když k fungující kouli přiložíme opatrně kotník nebo hřbet ruky, můžeme se o povrchový výboj snadno popálit. 

Vzhled výboje plasmové koule po přiložení ruky

Pokud k povrchu plazmové koule přiložíme prst, můžeme si snadno všimnout, že se provazce plazmy v daném místě spojí do jediného, protože tím pro elektrický proud vznikne nejkratší možná dráha uzavírající elektrický obvod. Ionty plynu jsou však nabité a odpuzují se - takže jakmile prst oddálíme, zaujmou vzájemnou polohu uvnitř koule tak, aby se k sobě musely přibližovat co nejméně. Když se k tomu připočtou fluktuace hustoty plynu, které zpusobují neustálé odchylování paprsků plazmy z jejich dráhy (viz vysvětlení níže), dojde k vzniku typického efektu pohybujícího se plazmového slunce. Můžeme si přitom všimnout toho, že v zahřáté kouli je tanec plazmy uvnitř koule čilejší než za nízkých teplot. S teplotou plynu stoupá současně i tlak uvnitř koule a tím se provazce plazmy stávají svítivější.

Při přiblížení prstu k povrchu koule si také můžeme všimnout korónového výboje, který vzniká v tenké vrstvě vzduchu mezi sklem a kůži. Větší intenzitě proudu zde brání především nízká vodivost skla, která výboj rozkládá na větší plochu. Pokud však ke kouli přiblížíme špičatý kovový předměnt, jeho hrot svádí elektrický náboj z větší části povrchu koule a pak dokonce mohou vzniknout i malé jiskřičky, které se na dlani projeví citelným štípnutím. Pokud bychom náboj jisker zvýšili připojením vysokonapěťového kondenzátoru, mohli bychom i z běžné plazmové koule odvádět náboj dostatečný ke vzniku hlasitých a především zdraví nebezpečných jisker. K této situaci může dojít při suchém vzduchu, pokud se ke kouli přiblížíme na izolované podložce a dotýkáme se přitom neuzemněných kovových předmětů, které naši kapacitu vůči zemi zvyšují. Vznik výbojů statické elektřiny je také nebezpečný pro provoz citlivých domácích spotřebičů s mikroprocesory, např. počítače, některé vysavače apod. Dalším problémem může být fakt, že plazmová koule funguje jako pokojový ionizátor vzduchu a bude způsobovat, že se na předmětech v jejím okolí začne usazovat více prachu.

Výboje v plazmové kouli jsou komplexní jev, který nás při pozorném sledování může hodně naučit o zákonitostech výboje v plynech. Při pohledu na opakované jiskrové výboje mezi kovovými elekrodami si můžeme všimnout toho, že jiskry jen málokdy prochází přesně tímtéž směrem a zdaleka si přitom nevybírají nejkratší dráhu mezi elektrodami. To proto, že vzduch se průchodem jiskry silně zahřeje a vzniklé místo se tím stane do značné míry nevodivé pro další jiskru, která je tak nucena si prorazit cestu jinudy. K podobnému procesu dochází i při výboji v plazmové kouli. Velmi vysoká opakovací frekvence však způsobuje, že je tento jev do značné míry potlačen v důsledku lavinovitého mechanismu, který funguje právě opačně: ionizovaný sloupec zředěného plynu zůstává v krátkých intervalech mezi jednotlivými výboji dostatečně vodivý na to, aby inicioval průchod proudu v tomtéž místě a proto se drobné jiskry ve vysokofrekvenčním výboji slévají do podoby provazců. I zde však platí, že průchodem proudu se plyn v okolí sloupce plazmy postupně zahřívá a stává se méně vodivým, proto se výboj přesouvá na chladnější místo a neustále putuje podél vnitřního povrchu baňky. Pokud budeme sledovat osud jednotlivých provazců plazmy, zjistíme, že se přitom uplatňuje efekt Jacobsova žebříku: výboje vznikají u spodního okraje, odkud jsou unášeny stoupavými proudy plynu (konvekcí) k vrcholu baňky, kde postupně mizí.

Můžeme si také všimnout, že těsně u povrchu skla se provazce plazmy rozšiřují a mění barvu na růžovou. Vrstva plynu těsně přiléhající k povrchu skla se intenzívně chladí a proto se zde plyn ionizuje obtížněji, současně se zde atomy pohybují nejpomaleji. V důsledku toho je při povrchu skla výboj veden především atomy plynu, které se ionizují nejsnáze, což - jak bylo uvedeno výše - je právě růžově svítící neon. Provazec výboje je při povrchu skla tvořen svazečkem velmi drobných jisker, které při každé periodě vysokofrekvenčního proudu mění svou polohu. To se ovšem děje tak rychle, že místo toho vidíme u povrchu skla trsovitě rozvětvený výboj. Dále si také můžeme všimnout, že výboj je od povrchu skla oddělen několikamilimetrovým temným prostorem, ve kterém nedochází k ionizaci plynu. To je způsobeno tím, že elektrony musí být urychleny na určitou minimální rychlost, jinak při jejich srážkách s atomy nedojde k ionizaci plynu. Protože povrch skla tvoří elektrodu, elektrony jsou na ní urychlovány elektrickým polem prakticky od nuly a dokud nezískají energii přibližně 70 eV, nemají na atomy plynu vliv, protože je nárazem nepoškodí.

V některém z dalších dílů se seznámíme s několika jednoduchými fyzikálními pokusy, které si můžeme v domácích podmínkách s plazmovou koulí vyzkoušet (viz např. video 1, 2, 3, 4). 

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

Související články


Jiří Hadámekvynálezce10:071.12.2013 10:07:51
Jiří GregorPěkné13:103.12.2011 13:10:31
bbhItQemBVnqfOtdgkHwR02:5325.7.2011 2:53:08
JakubJacobsův žebřík12:265.11.2010 12:26:49
anonymDotaz17:5413.7.2010 17:54:55
PetrikRe: děkuji13:1331.12.2009 13:13:34

Počet příspěvků: 7, poslední 1.12.2013 10:07:51 Zobrazuji posledních 7 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik