Πλάσμα: Η τέταρτη κατάσταση

Είναι συναρπαστικό να παρακολουθείς τις σφαίρες πλάσματος με τις φωτεινές ροζ λάμψεις και τις αχτίδες της μωβ αστραπής. Αλλά μήπως αυτές οι εντυπωσιακές φωτεινές σφαίρες δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα καινοτόμο επιτραπέζιο παιχνίδι; Αυτό το άρθρο έχει σαν σκοπό να δείξει ότι υπάρχουν πολλές ενδιαφέρουσες έννοιες της φυσικής που μπορούμε να παρουσιάσουμε – ψυχαγωγικά – χρησιμοποιώντας αυτές τις ενδιαφέρουσες συσκευές.

Τι είναι οι σφαίρες πλάσματος;

Μια σφαίρα πλάσματος (η μπάλα πλάσματος) αποτελείται από μια παχιά γυάλινη σφαίρα σε μια βάση με μια ηλεκτρική σύνδεση. Μέσα στην σφαίρα υπάρχει ένα κεντρικό ηλεκτρόδιο και λίγο αδρανές αέριο. Όταν η σφαίρα είναι αναμμένη, το ηλεκτρόδιο παράγει ένα ρεύμα υψηλής τάσης που εναλλάσσεται στις υψηλές συχνότητες, και το οποίο ζεσταίνει το αέριο σε μια υψηλή θερμοκρασία και διασπά τα άτομα σε ιόντα – δημιουργώντας μια κατάσταση ύλης που ονομάζεται πλάσμα.

Το πλάσμα μεταδίδει το ρεύμα εύκολα εξαιτίας της ιονισμένης κατάστασης του, και αυτό παράγει τις φωτεινές λωρίδες που βλέπουμε – όπως ακριβώς το αέριο σε έναν σωλήνα φθορισμού η όπως ακτινοβολεί το φως νέον όταν είναι αναμμένο. Αλλά σε αντίθεση με την λάμπα φθορίου, στην οποία η ηλεκτρική εκκένωση περνά απευθείας ανάμεσα από δύο ηλεκτρόδια, η σφαίρα πλάσματος έχει ένα μόνο ηλεκτρόδιο στο κέντρο της. Καθώς δεν υπάρχει μια μοναδική βέλτιστη διαδρομή για να ακολουθήσει η ηλεκτρική εκκένωση από το κέντρο της σφαίρας, οι λωρίδες ροής συνεχώς κινούνται και αντιστρέφονται – όπως η αστραπή που βρίσκει την πορεία της προς την Γη.

Το ηλεκτρόδιο στο κέντρο της σφαίρας πλάσματος είναι μια συσκευή που ονομάζεται πηνίο Τέσλα, η οποία δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο που φτάνει πέρα από την ίδια την σφαίρα και μέσα στον περιβάλλοντα χώρο. Αυτό δημιουργεί ένα συνδεόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην ίδια περιοχή, παρόλο που η ένταση αυτών των πεδίων μειώνεται καθώς αυξάνεται η απόσταση από το πηνίο.

Εξερευνώντας το πλάσμα

Στην Φυσική, το πλάσμα αναφέρεται ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης (μετά την στερεά, υγρή και αέρια)^w1. Παρόλο που είναι η σε πιο αφθονία μορφή συνήθους ύλης στο Σύμπαν (που αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 99%), το πλάσμα δεν συναντάται συνήθως στην καθημερινή ζωή. Οι σφαίρες πλάσματος μπορούν να μας δώσουν αυτή την εμπειρία και να φανερώσουν μερικές από τις ιδιότητες του πλάσματος – για παράδειγμα, την ικανότητα του να είναι αγωγός της ηλεκτρικής ενέργειας.

Σε αυτό το πρώτο παράδειγμα, οι μαθητές φέρνουν τα χέρια τους κοντά στην σφαίρα και βλέπουν τι επίδραση έχει αυτό. Μπορείτε να τους προκαλέσετε να εξηγήσουν γιατί σχεδόν όλες οι λωρίδες ροής ενώνονται σε μία, που έλκεται προς το χέρι και το ακολουθεί. (Ο λόγος είναι ότι ένα χέρι που βρίσκεται κοντά στην σφαίρα την βοηθά να αποφορτιστεί, γιατί το ανθρώπινο σώμα είναι καλύτερος αγωγός από τον αέρα και έτσι παρέχει μια ευκολότερη δίοδο διαφυγής για την ηλεκτρική ενέργεια από ότι η σφαίρα.)
 

Εξερευνώντας το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο

Πως μπορούμε να επιβεβαιώσουμε ότι τα αόρατα ηλεκτρομαγνητικά πεδία ανά τον κόσμο είναι πράγματι εκεί; Σε αυτά τα τρία πειράματα, οι μαθητές χρησιμοποιούν διαφορετικούς τύπους λαμπτήρων για να ανιχνεύσουν τα πεδία και να ανακαλύψουν μερικές από τις ιδιότητες τους.

Προτεινόμενος χρόνος:  20–30 λεπτά (συμπεριλαμβανομένης της συζήτησης).

Υλικά

• Σφαίρα πλάσματος
• Πρότυπο LED μινιατούρα (δίοδος εκπομπής φωτός)
• Μικρός (εξοικονόμησης ενέργειας) λαμπτήρας φθορισμού (15 W)
• Λάμπα πυρακτώσεως (15 W)
• Ευθύγραμμος σωλήνας φθορισμού (18 W)
• Προαιρετικά: μη λειτουργικός λαμπτήρας φθορισμού (15 W)

Διαδικασία

1) Χρησιμοποιώντας το LED

Αυτό το απλό πείραμα επιτρέπει στους μαθητές να εξετάσουν πως ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται με την απόσταση, και πως μπορεί να κάνει ένα ρεύμα να ρέει σε μια λάμπα χωρίς ενσύρματες συνδέσεις η μπαταρία.

Με την σφαίρα πλάσματος σε λειτουργία, αρχίστε το πείραμα ζητώντας από έναν μαθητή να πάρει ένα  LED και να το κρατήσει μακριά από την σφαίρα, και μετά σταδιακά να φέρνει τον λαμπτήρα πιο κοντά μέχρι τελικά να έρθει σε επαφή με την επιφάνεια της σφαίρας. Ο μαθητής θα πρέπει να πιάσει το LED μόνο από ένα από τα ηλεκτρόδια του, γιατί πιάνοντας το  LED από το γυάλινο τμήμα του η και από τα δύο ηλεκτρόδια δεν θα επιτρέψει στο ρεύμα να περάσει.

Σε ορισμένη απόσταση από την σφαίρα πλάσματος, το LED αρχίζει να λάμπει, φωτίζοντας πιο έντονα καθώς το φέρνουμε πιο κοντά στην σφαίρα.
 

Ζητήστε από τους μαθητές να σκεφτούν αυτές τις ερωτήσεις:

• Γιατί το LED ανάβει όταν βρίσκεται κοντά στην σφαίρα;
• Γιατί δεν φωτίζει όταν είναι μακριά από την σφαίρα;
• Γιατί χρειάζεται να κρατάς το LED μόνο από ένα από τα ηλεκτρόδια για να φωτίζει;

Όταν το LED είναι μακριά από την σφαίρα, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από την σφαίρα πλάσματος δεν είναι αρκετά ισχυρό ώστε να επηρεάσει τον λαμπτήρα. Όταν το LED είναι κοντά στην σφαίρα, το πεδίο δημιουργεί μια μικρή διαφορά τάσης ανάμεσα στα ηλεκτρόδια του LED. Αυτό δημιουργεί μια ροή ρεύματος στο LED αν υπάρχει ένα κλειστό (ολοκληρωμένο) κύκλωμα, το οποίο συμβαίνει αν κρατάμε το LED μόνο από το ένα ηλεκτρόδιο. Αυτό γίνεται γιατί το σώμα αυτού που κρατάει το ηλεκτρόδιο δρα και σαν αγωγός και σαν μια σύνδεση με την Γη, και έτσι κλείνει το κύκλωμα – και το LED φωτίζει. Όταν κρατάμε και τα δύο ηλεκτρόδια, δεν υπάρχει διαφορά δυναμικού κατά μήκος του LED και δεν ανάβει.

2) Χρησιμοποιώντας μια μικρή λάμπα φθορισμού

Μπορούμε να εξερευνήσουμε περαιτέρω τις ίδιες ιδέες χρησιμοποιώντας έναν μικρό λαμπτήρα φθορισμού, κρατώντας τον από την βάση του. Όπως και με το LED, η φωτεινότητα του μεταβάλλεται ανάλογα με το πόσο κοντά η μακριά βρίσκεται από την σφαίρα πλάσματος. Σε αυτή την περίπτωση οι μαθητές μπορούν να δουν μόνοι τους την επίδραση των κβαντισμένων επιπέδων ενέργειας στα άτομα.

Ζητήστε από τους μαθητές να πειραματιστούν κρατώντας τον λαμπτήρα σε διαφορετικές αποστάσεις από την σφαίρα πλάσματος (όπως με το LED), και να σκεφτούν αυτές εδώ τις ερωτήσεις:

• Υπάρχει μια μέγιστη απόσταση από την σφαίρα στην οποία ο λαμπτήρας ανάβει;
• Τι μπορεί να συμβαίνει στο εσωτερικό του λαμπτήρα για να το κάνει να λάμπει;

Αν ο λαμπτήρας βρίσκεται αρκετά κοντά στην σφαίρα, τα ηλεκτρόνια των ατόμων του ατμού υδραργύρου μέσα στον λαμπτήρα διεγείρονται από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της σφαίρας, και αυτό προκαλεί τα άτομα να μεταπηδήσουν σε ένα ανώτερο επίπεδο ενέργειας, εκπέμποντας υπεριώδη ακτινοβολία όταν αυτά επανέλθουν στο κανονικό τους επίπεδο. Επειδή αυτή η διέγερση απαιτεί ένα συγκεκριμένο ελάχιστο ποσό ενέργειας για να συμβεί, ο λαμπτήρας πρέπει να βρίσκεται μέσα σε ορισμένη απόσταση από την σφαίρα. Η υπεριώδης ακτινοβολία είναι αόρατη στο ανθρώπινο μάτι, αλλά απορροφάται από το φθορίζον επίχρισμα του λαμπτήρα και επανεκπέμπεται σε χαμηλότερη ενέργεια, την οποία βλέπουμε ως το λαμπερό λευκό φως του λαμπτήρα.

3) Περαιτέρω εξερευνήσεις με λάμπες

Είναι ενδιαφέρον να δοκιμάσουμε αυτό το πείραμα με έναν παλιό, μη λειτουργικό λαμπτήρα φθορίου (αν υπάρχει), καθώς η ικανότητα του λαμπτήρα να ανάψει κατά πάσα πιθανότητα θα αναβιώσει στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της σφαίρας πλάσματος. Οι περισσότερες λάμπες φθορίου σταματούν να λειτουργούν γιατί ο μηχανισμός εκκίνησης για την διαδικασία φωτισμού σταματά να δουλεύει, παρόλο που οι φυσικές διεργασίες στο εσωτερικό του λαμπτήρα είναι αναλλοίωτες – έτσι σε ορισμένες συνθήκες ο λαμπτήρας μπορεί ακόμη να παράγει την λάμψη του.

Μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε να επαναλάβετε το πείραμα με έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως (λάμπα βολφραμίου). Οι λάμπες φθορίου και τα LED είναι τώρα σε κοινή χρήση λόγω της χαμηλής ενεργειακής χρήσης τους – που είναι επίσης και ο λόγος που μπορούν να ανάψουν μόνο με το να βρίσκονται μέσα στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω από μια σφαίρα πλάσματος. Όμως οι λαμπτήρες πυρακτώσεως χρησιμοποιούν πολύ περισσότερη ενέργεια και έτσι δεν θα ανάψουν κάτω από αυτές τις συνθήκες.

Η χρήση ενός ευθύγραμμου, χαμηλής τάσης σωλήνα φθορισμού για να εξερευνήσουμε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί επίσης να αποκαλυπτική, γιατί το μακρύ σχήμα του επιτρέπει στους μαθητές να τον κρατήσουν σε διαφορετικούς προσανατολισμούς και από διαφορετικά σημεία κατά το μήκος του.
 

Ζητήστε από τους μαθητές να μετακινήσουν τον σωλήνα φθορίου προς την σφαίρα ώστε να λάμπει έντονα. Αν τώρα πιάσουν τον σωλήνα από το μέσον του με το ένα χέρι, θα δουν ότι σταματά να λάμπει από το σημείο επαφής ως το πιο μακρινό άκρο του.
 

Εδώ, η επαφή του χεριού με τον σωλήνα επιτρέπει στην ηλεκτρική ενέργεια να  αποφορτίζεται προς την Γη στο σημείο επαφής, εμποδίζοντας τον φωτισμό από το να επεκταθεί σε όλο το μήκος του σωλήνα.

Κάνοντας του σπινθήρες να πετούν

Σε αυτό το πείραμα δείχνουμε πως μπορούμε να προκαλέσουμε μερικούς ασφαλείς σπινθήρες χρησιμοποιώντας την σφαίρα πλάσματος.

Προτεινόμενος χρόνος: 15–20 λεπτά (συμπεριλαμβανομένης της συζήτησης).

Υλικά

• Σφαίρα πλάσματος
• Αλουμινόχαρτο κουζίνας
• Βελόνα ραπτικής
• LED

Διαδικασία

Αφού η σφαίρα πλάσματος έχει ανάψει για μερικά λεπτά, τοποθετήστε ένα μικρό κομμάτι αλουμινόχαρτου (1 εκατοστό x 1 εκατοστό) στην κορυφή της σφαίρας. Στην συνέχεια, πολύ σιγά φέρτε την βελόνα προς το αλουμινόχαρτο. Όταν βρίσκεται περίπου μισό εκατοστό από το αλουμινόχαρτο, θα πρέπει να δείτε ένα ηλεκτρικό τόξο (σπινθήρα) να πηδάει από το αλουμινόχαρτο προς την βελόνα.
 

Ο σπινθήρας δημιουργείται γιατί το αλουμινόχαρτο είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, και το εναλλασσόμενο πεδίο της σφαίρας σταδιακά συσσωρεύει ηλεκτρικό φορτίο στο αλουμινόχαρτο. Όταν πλησιάζουμε με την βελόνα, που είναι επίσης ένας ηλεκτρικός αγωγός αλλά δεν έχει φορτίο, ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων πηδά από το αλουμινόχαρτο στην μικρή βελόνα για να εξουδετερώσει αυτή την διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό ανάμεσα στα δύο υλικά.

Όταν τοποθετούμε το αλουμινόχαρτο στην σφαίρα πλάσματος, δημιουργείται ένας πυκνωτής. Οι δύο αγώγιμες πλευρές είναι το πλάσμα από την μια μεριά και το αλουμινόχαρτο από την άλλη. Το γυαλί της σφαίρας πλάσματος δρα ως διηλεκτρικό. Όταν φέρνουμε ένα μεταλλικό αντικείμενο (την βελόνα) σε κοντινή απόσταση,  παράγεται μια γρήγορη εκκένωση και εμφανίζεται ένας μικρός σπινθήρας.

Μπορούμε επίσης να επιστρέψουμε στο πείραμα μας με το LED και να δούμε τις επιδράσεις που έχει η τοποθέτηση του αγώγιμου αλουμινόχαρτου στην σφαίρα. Με το αλουμινόχαρτο στην σφαίρα, κρατήστε το LED από ένα από τα ηλεκτρόδια του και σιγά σιγά φέρτε το προς το αλουμινόχαρτο. Θα πρέπει να παρατηρήσετε ότι, ακόμη και όταν είναι αρκετά κοντά, το LED δεν ανάβει – σε αντίθεση με το πρώτο πείραμα. Όμως, σε μια απόσταση περίπου 0.5 εκατοστών, θα πρέπει να δείτε ένα σπινθήρα να πηδάει από το αλουμινόχαρτο στο ηλεκτρόδιο του LED, και το λαμπάκι να φωτίζει καθώς ο σπινθήρας εκτείνεται προς το ηλεκτρόδιο.
 

Σε αυτή την περίπτωση, το LED ανάβει μόνο από τον σπινθήρα και όχι από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της σφαίρας. Αυτό συμβαίνει γιατί η ένταση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σχετίζεται άμεσα με το μέγεθος της σφαίρας πλάσματος. Σε μεγάλες σφαίρες πλάσματος, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να κάνει ένα LED να λάμπει από μια ορισμένη απόσταση, αλλά με τις μικρές σφαίρες πλάσματος που χρησιμοποιούνται γενικά στην εκπαίδευση, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται είναι λιγότερο ισχυρό· για να ανάψει το LED από μια ορισμένη απόσταση, θα πρέπει να το συνδέσουμε με έναν πυκνωτή (το αλουμινόχαρτο που τυλίγουμε σε ένα από τα ηλεκτρόδια του LED).

Δραστηριότητες επέκτασης

Οι δραστηριότητες που περιγράφονται παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν βάση για περαιτέρω έρευνα σε μια ποικιλία θεμάτων. Οι μαθητές μπορεί να μάθουν περισσότερα για:

• Τα πηνία Τέσλα και τον εφευρέτη τους, τον Νίκολα Τέσλα.
• Το πλάσμα ως την τέταρτη κατάσταση της ύλης. Λέγεται ότι το πλάσμα είναι η πιο συνηθισμένη μορφή ύλης στο Σύμπαν· γιατί συμβαίνει αυτό;
• Την ενεργειακή απόδοση των διαφόρων λαμπτήρων και ποιοι λαμπτήρες είναι καλύτεροι για το περιβάλλον. Τι πρέπει να τους κάνουμε όταν δεν λειτουργούν πια, έχοντας υπόψη ότι οι λάμπες και οι σωλήνες φθορίου περιέχουν υδράργυρο;