Plasma: Il quarto stato Teach article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Il plasma è il   quarto stato della materia, dopo i solidi, liquidi e i gas – ma a cosa assomiglia e cosa può fare?  I globi al plasma ci permettono di rispondere a questa domanda – e oltre.

Con loro pennacchi rosa e i filamenti violacei tipo fulmini, i globi al plasma sono sempre affascinanti da osservare. Ma queste sorprendenti sfere luminose sono qualcosa  di più che un gioco da tavolo? Questo articolo ci aiuta a mostrare quanta fisica interessante vi è da osservare –nell’uso di questi dispositivi così intriganti.

Cosa sono i globi al plasma?

Un globo al plasma (o sfera di plasma) è costituito da una sfera di vetro spesso su una base fornita di interruttore elettrico. All’interno della sfera vi è un elettrodo centrale ed è riempito con una piccola quantità di gas inerte. Quando viene acceso l’elettrodo produce una corrente ad alta tensione alternata e ad alta frequenza, che scalda il gas a una temperatura tanto alta da scindere gli atomi in ioni – creando così lo stato della materia chiamato plasma.

Il plasma trasmette facilmente la corrente a causa del suo stato ionizzato, e si manifesta con un flusso luminoso che possiamo vedere – come succede per la fluorescenza in un tubo a gas o quando accendiamo un tubo al neon. Ma diversamente dai tubi al neon, nei quali la scarica elettrica attraversa il tubo tra i due elettrodi, in un globo al plasma si ha un unico elettrodo al centro. Non vi è un singolo percorso per la scarica elettrica che scaturisce dal centro della sfera, il flusso si muove costantemente da un punto all’altro del globo – come succede ai fulmini sulla Terra.

L’elettrodo al centro del globo è la cosiddetta bobina di Tesla, che crea un campo di  corrente alternata che raggiunge il globo stesso e lo spazio che lo circonda. Questo crea un campo elettromagnetico associato, nella stessa regione, comunque l’intensità di questi campi decresce al crescere dalla distanza dalla bobina.

Esploriamo il plasma

In fisica, il plasma è considerato il quarto stato della materia (dopo i solidi, i liquidi e i gas)w1. Sebbene sia la più abbondante forma della materia nell’Universo (ammonta a più del 90%), il plasma non si incontra quasi mai nella vita di tutti i giorni. I globi al plasma possono rappresentare una valida alternativa per esplorare alcune delle proprietà del plasma – per esempio, una delle quali è la capacità di condurre l’elettricità.

In questo primo esperimento, gli studenti possono avvicinare le mani vicino al globo e vedere quale effetto si manifesta. Potreste sfidarli a spiegare perché quasi tutti i flussi si combinano in uno solo, attratto dalla mano e la segue. (La ragione è che la mano posta vicino al globo aiuta la scarica, perché il corpo umano è un conduttore migliore dell’aria e così rappresenta una via di fuga più agevole  all’energia elettrica dal globo.)
 

Note sulla sicurezza

  • I globi al plasma sono dei dispositivi che funzionano ad una tensione molto alta, così quando si maneggiano bisogna sempre assicurarsi di prendere tutte le precauzioni e le misure di sicurezza di quando si lavora con la corrente elettrica.
  • Evitare di toccare il globo con oggetti di metallo che si possono riscaldare rapidamente e causare ustioni. Un esperimento possibile, se eseguito con cura, è quello di porre una moneta sulla cima del globo e un pezzetto di carta sopra alla moneta. Se la si tocca la carta utilizzando un altro oggetto di metallo, come ad esempio un altra moneta o una graffetta, si produrrà nella carta un foro dovuto alla combustione sul contorno della moneta.
  • Per la stessa ragione, non coprite mai il globo quando è acceso o e ancora caldo.
  • I globi al plasma sono in grado di funzionare per tutto il tempo di una lezione senza surriscaldarsi, ma se notate che il vostro globo si surriscaldasse dopo essere stato continuamente in uso, vi raccomandiamo di spegnere l’interruttore elettrico del globo tra un esperimento e l’altro, e/o almeno spegnerlo ogni 30 minuti. (Questo significa che avrete bisogno di riaccendere il globo e farlo funzionare per qualche minuto prima di iniziare un nuovo esperimento.)

Esploriamo il campo elettromagnetico

Come facciamo a confermare che i campi elettromagnetici invisibili sono effettivamente dove si dovrebbero trovare, cioè attorno al globo? In questi tre esperimenti, gli studenti utilizzeranno differenti tipi di lampade luminose per visualizzare i campi e scoprire alcune delle loro proprietà.

Tempo suggerito: 20-30 minuti (inclusa la discussione).

Materiali

  • Globo al plasma
  • LED standard in miniatura (diodo a emissione di luce)
  • A lampadina a fluorescenza  compatta (a risparmio energetico) (da 15 W)
  • Una lampadina a incandescenza (15 W)
  • Un tubo a fluorescenza (18 W)
  • Opzionalmente: una lampadina a fluorescenza fuori uso (15W)

Procedura

1) Con il LED

Questo semplice esperimento permette agli studenti di esplorare le variazioni del campo elettrico in funzione della  distanza e come come si può fare affinché una corrente fluisca all’interno di una lampadina senza che sia collegata ad un conduttore o a una batteria.

Con il globo acceso, iniziate l’esperimento chiedendo ad uno studente di prendere un LED e tenerlo ad una certa distanza dal globo, e quindi gradualmente avvicinare il bulbo sino a porlo in contatto con la superficie del globo. Lo studente dovrà tenere il LED per uno degli elettrodi del diodo, poiché tenendo il LED per il bulbo di vetro o da con entrambe gli elettrodi, la corrente non riesce a fluire all’interno.

Ad una certa distanza dal globo al plasma, il LED dovrebbe iniziare a illuminarsi, sempre più intensamente quanto più vicino si troverà alla superficie del globo.
 

Un LED si illumina quando viene tenuto ad breve distanza dal globo. A volte, per poter far illuminare il LED, potremmo aver bisogno di una piccola striscia di alluminio come conduttore.
Immagine per gentile concezione di Jorge Yáñez González

Domandate agli studenti di riflettere sulle seguenti domande:

  • Perché il LED si illumina quando si trova vicino al globo?
  • Perché il LED non si illumina quando si trova a distanza dal globo?
  • Perché si deve tenere il LED solo con uno dei suoi terminali affinché si illumini?

Quando il LED si trova a una certa distanza dal globo, il campo elettromagnetico prodotto dal plasma non è sufficientemente forte da influenzare il LED. Quando il LED è in prossimità del globo, il campo crea una piccola differenza di potenziale ai capi degli elettrodi del LED. Quindi si genera una piccola corrente che fluisce entro il LED se si chiude il circuito (circuito completo), ciò si ottiene quando si tiene il LED  attraverso un solo elettrodo. Questo perché il corpo di chi tiene il LED agisce da conduttore essendo collegato a Terra, e in questo modo si chiude il circuito – e il LED si illumina. Quando invece si tengono entrambe gli elettrodi, non si crea nessuna differenza di potenziale nel LED e non si illumina.

2) Utilizzando una lampadina a fluorescenza

Possiamo sfruttare la stessa idea utilizzando una lampadina a fluorescenza, tenendola per la base. Come con il LED, la sua luce varia quanto vicina o lontana al  globo al plasma si  troverà. In questo caso gli studenti potranno verificare da loro stessi gli effetti della quantizzazione dei livelli d’energia degli atomi.
 

Una lampada a fluorescenza si illumina senza toccare il globo al plasma.
Immagine per gentile concessione  di Jorge Yáñez González

Domandate agli studenti di sperimentare gli effetti ponendo la lampadina a differenti distanze dal globo al plasma (come si era fatto con il LED), e a riflettere su queste domande:

  • Qual’è la massima distanza dal globo che bisogna tenere la lampadina affinché si possa illuminare?
  • Che cosa deve succedere all’interno della lampadina affinchè si accenda?

Se la lampadina è abbastanza vicina al globo, gli elettroni dei vapori di mercurio all’interno della lampadina verranno eccitati dal campo elettromagnetico del globo, facendo si che gli atomi, acquisendo energia, compiano un salto ad un livello di energia superiore, quando ritornano al loro livello originario, emetteranno una radiazione UV. Affinchè avvenga questa transizione tra stati (stato eccitato e stato fondamentale) si richiede una specifica quantità di energia (il quanto di energia, N.d.T.), e la lampadina deve trovarsi ad una specifica distanza dal globe. La radiazione UV è invisibile all’occhio umano, ma è assorbita dal rivestimento fluorescente della lampadina e riemessa  ad un più basso livello di energia, facendo illuminare la lampadina di una linea bianca. (N.d.T. – In pratica nelle lampade a mercurio, si verifica una transizione intermedia tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale. L’elettrone eccitato decade in due fasi, nel primo decadimento, l’energia dello stato metastabile fa emettere un raggio UV, invisibile e alquanto dannoso, il secondo decadimento, cioè quello dallo stato metastabile allo stato fondamentale, la luce emessa è nello spettro visibile poiché l’energia coinvolta è molto minore di quella della prima tarnsizione).

3) Ulteriori esperimenti con lampadine luminose

È interessante provare questo esperimento con una vecchia lampada a fluorescenza non funzionante (se disponibile), nel quale si vedrà come è possibile rivitalizzare la lampadina, ponendola nel campo elettromagnetico del globo al plasma. La maggior parte delle lampade a fluorescenza che non funzionano riesce ad illuminarsi ponendole nel campo elettromagnetico di un globo al plasma. La maggior parte delle lampadine a fluorescenza non si accendono poiché vi è un meccanismo di accensione che gli impedisce di funzionare, anche se il processi fisici all’interno della lampadina rimangono inalterati così in certe condizioni la lampadina può nuovamente illuminarsi.

Potete ripetere l’esperimento anche con una lampadina ad incandescenza (cioè. a filamento di tungsteno). Le lampadine a fluorescenza e a LED sono ora più comunemente utilizzate perché consumano poca energia – anche perché possono illuminarsi semplicemente avvicinandole al campo elettromagnetico creato attorno ad un globo al plasma. Le lampadine ad incandescenza, tuttavia, consumano molta più energia e quindi non si illuminano nelle stesse condizioni.

Si può utilizzare un tubo fluorescente a bassa tensione per esplorare il campo elettromagnetico, che può essere rivelato perché la forma allungata permette agli studenti di orientarlo in modo differente e puntarlo in varie posizioni per tutta la sua estensione.
 

Un tubo a fluorescenza si illumina. La dimensione non è importante si illuminerà sempre.
Immagine per gentile concessione di Jorge Yáñez González

Chiedete agli studenti di spostare il tubo a fluorescenza in direzione del globo in modo che si illumini in modo più brillante. Se adesso si prende il tubo nel suo punto mediano con una mano, vedranno che smetterà di illuminarsi se si toccherà l’estremo più distante.
 

La mano crea un confine. Non vi è la luce al di la di essa.
Immagine per gentile concessione di Jorge Yáñez González

Qui, il contatto della mano con il tubo permette all’energia elettrica di scaricarsi a Terra nel punto di contatto, prevenendo che si illumini le rimanenti parti lungo il tubo.

Far volare le scintille

In questo esperimento, mostreremo come creare scintille in modo sicuro.

Tempo suggerito 15-20 minuti (discussione inclusa).

Materiali

  • Globo al plasma
  • Foglio di alluminio
  • Ago per cucire
  • LED

Procedura

Dopo che il globo al plasma è rimasto acceso per un paio di minuti, collocate un pezzetto di un foglio di alluminio per alimenti (1 cm x 1cm) in cima al globo. Quindi molto lentamente muovete l’ago verso il foglio di alluminio. Quando si troverà a circa mezzo centimetro dal foglio, dovreste vedere che si crea un arco (una scarica) che scaturisce dal foglio in direzione dell’ago.
 

Possiamo osservare come l’elettricità vada oltre i limiti della superficie del globo.
Immagine per gentile concessione di Jorge Yáñez González

La scintilla si crea perché il foglio di alluminio è un buon conduttore di elettricità, e il campo alternato del globo progressivamente trasferisce la carica elettrica sul foglio. Quando ci avviciniamo con l’ago, che è anch’esso un conduttore elettrico ma senza carica, un gran numero di elettroni salteranno dal foglio di alluminio al piccolo ago per neutralizzare questa differenza di potenziale elettrico tra i due materiali.

Quando poniamo il foglio di alluminio sul globo al plasma, si crea un condensatore. I due lati conduttori sono il plasma da una parte e il foglio dall’altra. Il vetro del globo agisce come dielettrico del condensatore. Quando avviciniamo un oggetto metallico (l’ago) in prossimità del globo, si produrrà una rapida scarica e si potrà vedere anche una scintilla.

Possiamo ritornare al nostro esperimento precedente con il LED e osservare gli effetti ponendo il foglio conduttore sul globo. Con il foglio sul globo, teniamo il LED per uno dei suoi due terminali e lentamente portiamolo verso il foglio. Dovremmo osservare che, anche se siamo molto vicino, il LED non si accende – contrariamente a quanto avvenuto nel primo esperimento. Comunque, alla distanza di circa 0,5 cm, dovreste osservare una piccola scintilla saltare dal foglio all’elettrodo del LED, e il bulbo del LED si illuminerà mentre la scarica si propaga in direzione dell’elettrodo.
 

La scintilla illumina il LED.
Immagine per gentile concessione di Jorge Yáñez González

In questo caso, il LED si illumina esclusivamente a causa della scintilla e non del campo elettromagnetico generato dal globo. Ciò è dovuto all’intensità  del campo elettromagnetico ed è direttamente correlato alla dimensione del globo al plasma. Nei globi al plasma molto grandi, il campo elettromagnetico è in grado di far illuminare un LED posto ad una certa distanza, ma con un piccolo globo al plasma come quelli che si usano solitamente per scopi didattici, il campo elettromagnetico è molto meno intenso; affinché il LED si illumini ad una certa distanza, abbiamo bisogno di collegarlo ad un condensatore (mediante un foglio di alluminio attorno ad uno degli elettrodi del LED).

Estensione delle attività

Le attività descritte in precedenza, possono essere utilizzate come base per ulteriori ricerche su una varietà di argomenti. Gli studenti potrebbero trovare interessanti i seguenti:

  • Le bobine di Tesla e il loro inventore, Nikola Tesla.
  • Il plasma come quarto stato della materia. Si dice che il plasma sia la materia più comune nell’Universo; perché?
  • Il rendimento energetico di differenti lampadine e quali lampadine sono più adatte per il rispetto dell’ambiente. Cosa dovremmo fare quando queste lampade non funzionano più, considerando che le lampade a fluorescenza e i tubi contengono mercurio?

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Web References

  • w1 – Un articolo di ampia informazione sul plasma, e i globi al plasma e i loro campi elettromagnetici, è disponibile sul sito di CPEP physics.  

Resources

Author(s)

Jorge Yáñez González a una laurea in chimica dall’Università Complutense di Madrid, Spagna. È interessato alla differenza di genere nelle scienze e si interessa nel lavoro sperimentale in classe, avendo lavorato come insegnante di fisica e chimica nelle scuole secondarie dell’Andalusia (Spagna) per 15 anni. Attualmente, lavora al Museo delle Scienze di Granada come tecnico nelle attività educative.


Review

I globi al plasma sono spesso utilizzati per fornire un fattore di ‘stupore’ che entusiasma gli studenti. Questo articolo suggerisce i vari modi di come i globi al plasma si possono utilizzare nelle lezioni e fornire dettagli della fisica alla base di questi fenomeni.


Stuart Farmer, Robert Gordon’s College, Regno Unito




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