Каталог мастеров
Найдите лучшего мастера или фирму в своем городе

Электрический ток в плазме – физика явлений, как она есть

Красота физических явлений порой завораживает
Красота физических явлений порой завораживает

Многие из нас видели красивейшие электрические шары, внутри которых от центрального ядра ток по «воздуху» перемещается к стенкам. Зрелище завораживающее. Наверняка многим было интересно, какие процессы протекают внутри, и как создается такая красота.

Данный шар называется плазменным, и, соответственно, протекает электрический ток в плазме. Что это такое мы подробно расскажем в данной статье.

Плазма – четвертое состояние вещества

Переменный ток от плазменного шара заставляет светиться люминесцентную лампу
Переменный ток от плазменного шара заставляет светиться люминесцентную лампу

Итак, нашу статью мы разобьем на 3 части. В первой мы поговорим про «сухую» теорию, касаемую явления плазмы, во второй – расскажем о возможности протекания электрического тока через плазму на просторах вселенной, и в третьей – проведем собственные опыты и попытаемся сделать плазменный шар у себя дома, своими руками.

Что такое плазма

Что заставляет плазму проводить ток
Что заставляет плазму проводить ток

Плазма представляет собой ионизированный газ, который образуется из заряженных ионов и электронов и из нейтральных атомов.

  • Одной из главных особенностей плазмы является ее квазинейтральность, то есть положительные и отрицательные частицы, из которых она состоит, находятся в одинаковом объеме.
  • Плазмой может стать любой газ, если составляющие его атомы потеряли электроны по какой-либо из причин.

Интересно знать! После того, как в газе не осталось нейтральных частиц, плазма становится полностью ионизированной.

  • По сути, газ и плазма не отличаются друг от друга, и это состояние считается естественным вообще для любого вещества. Давайте вспомним, что любое твердое вещество при нагревании начинает плавиться, становясь жидким. Если еще увеличить температуру, то начинается процесс испарения, превращения в газ.
Море плазмы
Море плазмы
  • В случае молекулярных газов, таких как азот или водород, молекулы газа начинают распадаться на отдельные атомы при дальнейшем возрастании температуры. Этот процесс называется диссоциацией.
  • Продолжаем нагрев – газ начинает ионизироваться, то есть появляются свободные электроны и ионы. Именно эти заряженные частицы имеют способность проводить электрический ток. Отсюда можно вывести первое определение плазмы, как проводящего ток газа.

Интересно знать!  Нагревание – не единственный способ получить плазму. Также состояние плазмы у газов могут вызывать: космические лучи, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, проходящий пучок быстрых электронов и прочее.

Выходит, что плазма – это четвертое состояние вещества, больше всего походящее на газ, и ведущее себя точно также при многих условиях.

В плазменном телевизоре нет нагрева до экстремальных температур
В плазменном телевизоре нет нагрева до экстремальных температур
  • Однако не всегда это утверждение верно, особенно в случае протекания по плазме электрического тока. Именно поэтому плазму вынесли, как четвертое состояние вещества.
  • Термин плазма был введен в обиход в 1923 году американскими физиками Тонгсом и Лэнгмюром. До этого момента этим словом называли лишь жидкий бесцветный компонент крови, живых тканей и молока.
Плазмотрон переменного тока создает поток плазмы
Плазмотрон переменного тока создает поток плазмы
  • Данное состояние вещества, естественно, встречается в природе. В частности, ионосфера нашей планеты является слабоионизированной плазмой, а наше Солнце – плазма ионизированная полностью. Искусственную плазму в быту можно встретить в самых обычных газоразрядных лампах.

Плазма бывает двух типов:

  1. Низкотемпературная – температуры ниже 100000К;
  2. Высокотемпературная – температуры выше 100000К.

Для обоих видов характерны высокая электропроводность и сильное взаимодействие с окружающими электромагнитными и электрическими полями.

Интересно знать! Во вселенной 99% вещества – это и есть плазма.

На фото – изображение вселенной: космос наполнен плазмой
На фото – изображение вселенной: космос наполнен плазмой

Если в сосуд, заполненный плазмой, поместить два электрода, то в случае наличия между ними электрического поля, ток потечет через плазму – отрицательные ионы двигаются к положительно заряженному электроду, и наоборот. При этом процесс сопровождается различными оптическими и тепловыми явлениями. Данное явление называется газовым разрядом.

Газовые разряды бывают нескольких типов:

Мощность тока при самостоятельном разряде невелика
Мощность тока при самостоятельном разряде невелика
  • Несамостоятельный разряд – если явление происходит только при постоянном внешнем воздействии, вызывающем ионизацию газа. Как только внешнее воздействие прекращается, ионы и электроны при столкновении снова превращаются в нейтральные молекулы вещества.
  • Самостоятельный разряд – продолжает гореть даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Отличие от предыдущего состоит в том, что тут будет значительно выше сила тока, что происходит при увеличении напряжения между электродами.

Начиная с некоторой величины напряжения, сила тока расти перестает и становится равной силе насыщения Iн. Говорит это о том, что все заряженные частицы, которые появляются за некоторую единицу времени, оказываются вовлеченными в газовый разряд, простыми словами расти току больше некуда.

Ток переменный: трансформатор Николы Тесла создает мощный газовый разряд
Ток переменный: трансформатор Николы Тесла создает мощный газовый разряд

Момент перехода от несамостоятельного к самостоятельному разряду сопровождается резким возрастанием силы тока – он называется электрическим пробоем газа. Процесс разряда в газе очень сложный и по законам, им управляющим, и по составу носителей тока.

Интересно знать! Газовый разряд подчиняется закону Ома лишь при небольших значениях силы тока и напряжения.

Во время протекания тока по плазме, в зависимости от ее состояния, можно выделить некоторые типы самостоятельного разряда. Наиболее важными среди них считаются следующие:

Виды самостоятельных разрядов: тлеющий
Виды самостоятельных разрядов: тлеющий
  • Тлеющий разряд – этот тип разряда возникает при разряженном газе внутри сосуда, то есть его давление ниже, чем атмосферное, и при сниженной температуре катода.
Тлеющий разряд в прозрачной трубке
Тлеющий разряд в прозрачной трубке

Применяется этот тип разряда в различных лампах, неоновых трубках.

Дуговой разряд
Дуговой разряд
  • Следующий тип называется дуговым. Происходит он между двумя электродами, например, угольными, которые на короткое время соприкоснулись, после чего были разведены в сторону. Похож он на яркий шнур. Процесс сопровождается мощным выбросом ультрафиолетового излучения.

Явление электрической дуги было открыто еще в 1802 году русским физиком В.В. Петровым, а практическое применение ей было найдено позже, в 1876 году. Сделал это П.Н Яблочков, доказав возможность использования для освещения и сварки металлов.

Искровой разряд
Искровой разряд
  • Искровой разряд возникает при высоких напряжениях и атмосферном давлении. Самым ярким примером является обычная молния. При этом разряд не горит долго, а появляется лишь на короткое время.
Коронный разряд
Коронный разряд
  • Ну, и последний – коронный разряд. Он также возникает при атмосферном давлении и высоком напряжении, но в отличие от искрового ему требуется неоднородное электрическое поле около электродов с кривой поверхностью, например провода или какого-нибудь острия.

Внешне он напоминает светящуюся корону, откуда и пошло его название. В природе данные разряды можно встретить в преддверии приближающейся грозы, когда светиться могут мачты кораблей, одинокие вершины деревьев, а иногда и поднятые руки людей. Данный разряд используется в электрических фильтрах газа.

Интересно знать! Если что-нибудь слышали про «огни святого Эльма», то знайте – это и есть коронные разряды. Церковь, воздвигнутая в честь этого святого в средние века, часто светилась на шпилях подобным образом.

Тот или иной тип разряда может быть как полезным, так и наоборот, доставить кучу проблем. Например, в сильноточных цепях при размыкании контактов может образоваться искровой и даже дуговой разряды. Чтобы этого не происходило, инженеры предусматривают специальные системы защиты – те же масляные переключатели.

Межзвездная плазма

Космос наполнен плазмой
Космос наполнен плазмой

Не так давно ученые  со всего света сходились во мнении, что межзвездное пространство является идеальным вакуумом. Более того, этой точки зрения до сих пор придерживаются многие специалисты, но как показывают последние исследования, это не совсем верно.

  • Космос пустым не является и пространство его наполнено плазмой, очень разряженной, но все-таки.
  • В основном это легкие молекулы гелия, водорода – их ионы и электроны. Концентрация составляет одну частицу на 1 кубический сантиметр, что в 1013 раз меньше, чем в земном воздухе.
  • Исследования космоса показали, что между небесными телами постоянно протекают токи Бикерланда, и этому никак не препятствует низкая концентрация плазмы, которая, как мы выяснили, является прекрасным проводником.
  • Среди ученых сегодня ведутся активные споры о заряде космической плазмы. Так, Хеннес Альфвен и Джеймс Маккэни считают ее практически нейтральной и лишь чуть-чуть позитивной. Это противоречит официальной теории о полной нейтральности солнечного ветра.
  • Впервые о положительно заряженной космической плазме, из которой состоит солнечный ветер, заявил еще в 1930 году геофизик и математик Сидни Чепмен. К такому же выводу пришел недавно в своих изысканиях лауреат нобелевской премии 1968 года Луис Альварес. Этого же мнения придерживаются многие именитые ученые по всему миру.
На фото – ток Бикерланда течет через космос
На фото – ток Бикерланда течет через космос

Поведение электрического тока в плазме

Электрические заряды сворачиваются в нити
Электрические заряды сворачиваются в нити

Мы уже знаем, что разряд плазменного тока похож на светящуюся нить, соединяющую электроды. Почему происходит сворачивание, расскажет эта глава.

  • Чтобы данный феномен стал понятен, необходимо вспомнить курс школьной физики. В частности нас интересует электромагнетизм, и то, как генерируется электромагнитное поле.
Магнитное поле: правила правой и левой рук
Магнитное поле: правила правой и левой рук
  • На рисунке выше показано, как ток, протекающий через провод, создает перпендикулярное ему магнитное поле.
  • То же самое происходит и в плазме, но она, в отличие от жесткого провода, не имеет определенной формы.
  • Собирается плазма в пучки именно благодаря магнитному полю, то есть оно его стягивает, как бы в провод, и направляем в определенную точку. Данный тип нитевидных разрядов получил название ток Бикерланда.
Стягивание плазменного тока в шнур
Стягивание плазменного тока в шнур
  • А что произойдет, когда рядом окажутся две плазменные нити?
  • Магнитные поля от них сначала начинают притягиваться, стремясь слиться вместе. Но соединения нитей в одну не происходит, из-за того, что магнитные поля вращаются.
  • В результате взаимодействия нити обвиваются, создавая простейшую спираль. Образовавшаяся структура называется плазменным вихрем.
Структура плазменного вихря
Структура плазменного вихря
  • Как только нити сближаются на достаточное расстояние, образуется некая сила отталкивания, которая не дает произойти слиянию потоков. При этом притяжение и отталкивание дают очень стабильную структуру, что и позволяет нитям удерживаться на некотором расстоянии. То есть ни слиться, ни разъединиться они не могут.
  • Данный феномен очень распространен в природе. С его помощью можно объяснить структуру ураганов, вихрей, вращение звезд, планет, форму галактик и многое, многое другое.

Плазменный шар у вас дома

Вы думаете, что для осуществления этой идеи нужно обладать знаниями по физике на уровне академии? Ничего подобного – вполне достаточно элементарных навыков в радиоэлектронике, ну, или хотя бы четкое следование инструкции, и знание основ безопасности. В общем, не суйте пальцы в розетку, и все будет хорошо.

Осторожно! В приборе будет высокое напряжение, не подпускайте к нему детей.

Для работы нам понадобятся:

Лампа накаливания
Лампа накаливания
  • Самая обыкновенная лампа накаливания, которая, собственно, плазменным шаром и станет.
Лампа энергосберегающая
Лампа энергосберегающая
  • Люминесцентная энергосберегающая лампа – из нее мы извлечем плату.
Строчный трансформатор
Строчный трансформатор
  • Последней частью схемы будет строчный трансформатор, который можно достать из любого старого кинескопного телевизора.
Извлекаем трансформатор из ТВ
Извлекаем трансформатор из ТВ
  • Определить положение трансформатора очень просто – вы узнаете его по характерной присоске, которая подсоединяется сзади к кинескопу телевизора.

Совет! Используем ТВС или ТДКС без конденсатора. Умножители брать нельзя, так как они очень опасны.

Разобранный корпус лампы
Разобранный корпус лампы
  • Из энергосберегающей лампы извлекается управляющая плата. Будьте предельно осторожны при разборе, чтобы не повредить колбу, так как в ней содержится опасная ртуть.
  • Чтобы отсоединить плату необходимо аккуратно отмотать проводки.
  • От платы будет отходить два провода – по ним подается питание на 220В из общественной сети. Соединяем их с любой вилкой, например, от того же телевизора.
Выводы платы
Выводы платы
  • Далее нужно подключить трансформатор, но мы видим, что выводов 4, а нам нужно лишь 2, как быть? Переворачиваем плату и смотрим, куда идут дорожки от контактов.
  • Те выводы, которые идут только на конденсатор, нам не нужны. Конденсатор находится на 12 часов (красная деталь), на фото выше.
  • Припаиваем провода – так устройство будет безопаснее и надежнее.
Выводы трансформатора
Выводы трансформатора
  • С трансформатором все немного сложнее, ведь на нем много выводов, а нам по-прежнему нужно лишь два.
  • Для определения нужных поможет мультиметр.
Работа с тестером
Работа с тестером
  • Переводим прибор в режим измерения сопротивления, ставим один щуп на произвольный контакт, а вторым поочередно прозваниваем остальные, в поисках обмотки с наибольшим сопротивлением.
  • Полностью прозвонив один контакт, переходим ко второму, и так далее. В нашем случае нужными оказались 2 и 7 контакты. Подпаиваем к ним провода, тщательно все изолируем (лучше всего придумать какой-нибудь корпус) и можно к присоске подключать лампу накаливания.
  • Вот что мы получили в итоге.
Самодельный плазменный шар в действии
Самодельный плазменный шар в действии

Перед вами самый что ни наесть настоящий плазменный шар. Но как это все работает?

Давайте попробуем разобраться:

  • Плата из лампочки повышает частоту сети с 50-ти до нескольких десяток тысяч Герц.

Интересно знать! Постоянный ток не сможет запитать плазменный шар.

  • Роль трансформатора сводится к увеличению напряжения с 220В до тех же десятков тысяч.
  • Высокое напряжение вызывает ионизацию инертного газа, который закачан в колбу лампы накаливания. Отсюда и появляется плазма.
  • Однако все видели, что к колбе можно прикоснуться и человека током при этом не ударит. Почему?
  • Секрет в том, что протекающие токи очень малы, несмотря на такое высокое напряжение, и они не могут нанести вреда. Опасным в данной конструкции является сетевое напряжение, которое мы так тщательно изолировали.
  • Теперь давайте возьмем лампу чуть большего размера.
Плазменный монстр
Плазменный монстр
  • При мощности лампы в 1000 Вт получаем вот такой шар, который не уступит заводскому в яркости эффектов.

Интересно знать! При включении лампы от нее начинает пахнуть грозой!

С плазменным шаром можно провести ряд экспериментов:

Лампа горит без провода
Лампа горит без провода
  • Прикоснитесь к работающему плазменному шару люминесцентной или любой другой лампой, и вы увидите, что она начнет гореть. Отодвиньте лампу, но свечение никуда не денется, так как ток будет передаваться по воздуху без проводов.
Добыча огня
Добыча огня
  • Можно добыть огонь, проложив между пальцем и колбой лист бумаги. Проскакивающие искры за секунды заставят бумагу гореть. Будьте осторожны при проведении этого опыта.
Плазменная музыка
Плазменная музыка
  • Попробуйте также послушать музыку плазмы, коснувшись одним пальцем вывода от работающих колонок, а другим – самого шара.

Экспериментов можно придумать множество, и кто знает, какие свойства могут открыться именно вам.

Итак, мы разобрали электрический ток в газах и понятие о плазме. Надеемся, статья была интересной и полезной для вас. В дополнение просмотрите подобранное видео.



загрузка...

Понравилась статья? Поделись с друзьями!
Комментировать
Подпишитесь на рассылку

Наша рассылка выходит 2 раза в месяц. В ней нет никакой рекламы, только полезная информация о том-то и том.

Еще какая-то может информация про описание расссылки и того, что ждет подписавшихся