Plazmová koule

Plazmovou kouli – vysokofrekvenční výboj ve zředěném plynu – si můžete koupit v papírnictví jako „ozdobu“ pokojů nebo diskoték. Můžete si ji ale i sami vyrobit. A co je důležité – zjistíte přitom, jak vlastně funguje. Pokus připravili a popsali studenti na Letním soustředění mladých matematiků a fyziků, které pořádá MFF UK.

Jak jsme stavěli
Součástky jsme připevnili na základní desku z pevné dřevotřísky, která byla spojena se zadní stěnou pomocí úhelníku do tvaru L. Do zadní stěny jsme připevnili 12V větrák z počítače na chlazení tranzistoru. Uprostřed zadní stěny je umístěn vypínač, který se běžně používá jako vypínač stropního osvětlení (prochází jím velký proud). Vedle něj jsou zdířky na přívod energie z 12V autobaterie. V obvodu jsou paralelně zapojeny tři 1 mF/16 V kondenzátory, které snižují vnitřní odpor zdroje a kryjí proudové špičky. Dále je zapojen transformátor, který se skládá z primární cívky se třemi a pěti závity a sekundární cívky ze starého černobílého televizoru. Transformátor výrazně zvyšuje napětí ze zdroje. Dvě 12 V žárovky fungující jako odpor jsou zapojeny sériově (možno použít jednu žárovku 24 V). Poslední nutnou součástkou je tranzistor, který spolu s ostatními součástkami tvoří oscilátor vytvářející vysokofrekvenční napětí. Abychom viděli jevy způsobené vysokofrekvenčním napětím, připojíme běžnou 60 W, 100 W nebo 150 W žárovku.

Princip
Tranzistor se otevře (cesta kolektor-emitor je vodivá), když přechodem báze-emitor prochází dostatečně veliký proud. Proud procházející cívkou roste a tím v ní indukuje napětí (připomeňme, že indukované napětí nezáleží na proudu tekoucím cívkou, ale na změně tohoto proudu). Díky mnohem většímu počtu závitů se na druhé cívce indukuje mnohem vyšší napětí než je na primární cívce. Po chvíli se cívka „nasytí“. Tím se v ní přestane indukovat napětí, tzn. napětí v celém obvodu poklesne. Tranzistor se uzavře. To je ovšem velká změna proudu, která způsobí, že se v cívce naindukuje veliké napětí opačné polarity. Po „vybití“ cívky se tranzistor znovu otevře a celý cyklus se opakuje. Sekundární cívka s větším počtem závitů je zdrojem vysokého vysokofrekvenčního napětí, které se přenáší vodičem na žárovku.

Pokusy
Prvním viditelným jevem bylo přitahování blesků z vlákna žárovky ke dlani ruky, případně ke kovovým materiálům, které jsme drželi v dlani a přikládali je ke kouli. Protože výboje se chtějí vždy uzemnit, většinou udělají uvnitř žárovky oblouk a spojí se s přiloženým objektem a přes něj se uzemní.

Můžete také rozsvítit zářivku pouhým přiložením k zapnuté žárovce – plazma kouli. Velice zajímavým jevem je rozsvícení již spálené zářivky. Díky elektromagnetickému poli v okolí žárovky se urychlí částice plynů v zářivce, a jak narážejí do jiných částic, zahřívají se, ionizují je a excitují a ty pak při rekombinaci svítí. Zářivka svítí i tehdy, když je v pouhé blízkosti žárovky (bez dotyku ruky, případně když jeden konec se přiloží k žárovce a druhý se drží). Funguje, i když jeden člověk drží žárovku a druhou rukou zářivku a další člověk drží druhý konec zářivky, čímž ji uzemní.

Díky elektromagnetickým vlnám, které žárovka vyzařuje, celé zařízení ruší krátké rádiové vlny. Místo hudby vychází z reproduktoru šumění.

Další pokus vznikl díky náhodě. Když jsme za tmy měli zapnutý náš přístroj, bílý papír začal svítit charakteristickým fialovým svitem UV světla. Díky němu jsme mohli vidět např. ochranné znaky občanského průkazu, tisícikoruny a dvoutisícikoruny.

Po přiložení hliníkové fólie nebo žárovky omotané měděným drátem výboje probíhají mezi vláknem žárovky a fólií nebo vláknem.

---

Bezpečnost především!
Výroba „Plazmové koule“ nebyla příliš složitá, ale o to víc bychom chtěli varovat před ublížením na zdraví. Vysokofrekvenční výboje o malém proudu sice nezabijí, ale dokážou v blízkosti dotyku popálit povrch kůže. Dalším rizikem je vyzařování UV paprsků, které mohou poškodit zrak. Budete-li opatrní, je to hezká „hračka“, která vás jen tak neomrzí.

Pozn. redakce: Dnes se na trhu nabízejí plasmové koule napájené přímo z USB portu. Díky jejich vyzařování 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.