Plazma: czwarty stan skupienia Teach article

Tłumaczenie Ewa Stokłosa. Plazma to czwarty stan skupienia materii po ciele stałym, cieczy i gazie. Czym się ona charakteryzuje i jak się zachowuje? Dzięki kulom plazmowym możemy odpowiedzieć na te i inne pytania.

Kule plazmowe z różowymi rozbłyskami i fioletowymi włóknami cieszą oko. Czy te fascynujące, świecące bańki są czymś więcej niż jedynie intrygującą dekoracją? Niniejszy artykuł ma na celu omówienie atrakcyjnych sposobów zaprezentowania fascynujących zjawisk fizycznych z użyciem tych niezwykłych urządzeń.

Czym są kule plazmowe?

Kula plazmowa (lub lampa plazmowa) składa się ze sferycznej bańki z grubego szkła i podstawki podłączonej do prądu. Wewnątrz bańki znajduje się centralna elektroda i bezwładny gaz. Gdy kula zostaje włączona, elektroda wytwarza prąd przemienny o wysokim napięciu, który nagrzewa gaz do wysokich temperatur i wytwarza jony – tworząc stan skupienia materii nazywany plazmą.

Plazma łatwo przewodzi prąd, co wynika z jej zjonizowanego stanu, i dlatego widzimy powstające w niej jarzące się wstęgi – jak gaz we włączonej w jarzeniówce lub neonówce.  Jednak w przeciwieństwie do światła neonowego, w którym ładunek elektryczny przechodzi bezpośrednio pomiędzy dwoma elektrodami, kula plazmowa posiada tylko jedną elektrodę. Nie posiadając jednej, najlepszej ścieżki przepływu, ładunek elektryczny tworzy nieustannie poruszające się wstążki – jak błyskawica odnajdująca drogę do ziemi.

Elektroda wewnątrz kuli plazmowej to transformator Tesli, który wytwarza zmienne pole elektryczne sięgające w przestrzeń poza samą kulą. Wytwarza ono na tym samym obszarze pole magnetyczne, a natężenie pól zmniejsza się wraz z odległością od transformatora.

Badanie plazmy

Plazmę w fizyce nazywa się czwartym stanem skupienia (po stanach stałym, ciekłym i gazowym)w1. Choć jest to najbardziej powszechny stan materii we wszechświecie (stanowi ponad 99%), z plazmą nie mamy raczej do czynienia na co dzień. Kule plazmowe dają taką możliwość, a dodatkowo ujawniają niektóre z właściwości plazmy – na przykład przewodnictwo elektryczne

W pierwszym eksperymencie uczniowie zbliżają ręce do kuli i obserwują, co się dzieje. Możesz zachęcić ich, aby wyjaśnili, dlaczego niemal wszystkie włókna zagęszczają się w jedno, które przyciągane jest do ręki i podąża za nią. (Dzieje się tak dlatego, że zbliżenie ręki powoduje wyładowanie kuli, ponieważ ludzkie ciało jest lepszym przewodnikiem prądu niż powietrze, tworzy więc łatwiejszą drogę ucieczki dla energii elektrycznej z kuli.)
 

Uwaga dotycząca bezpieczeństwa

  • Kule plazmowe to urządzenia działające pod wysokim napięciem, więc używając ich zawsze należy zastosować wszystkie środki ostrożności stosowane dla prądów elektrycznych.
  • Należy unikać dotykania kuli przedmiotami metalowymi, które szybko się nagrzewają i mogą spowodować oparzenia. Można ostrożnie wykonać eksperyment polegający na położeniu na kuli monety, na którą następnie kładzie się kartkę papieru. Wówczas, gdy dotkniemy papieru z pomocą innego metalowego przedmiotu, jak inna moneta czy spinacz do papieru, w kartce zostanie wypalona dziura.
  • Z tego samego powodu nigdy nie należy przykrywać kuli, gdy jest włączona lub nadal gorąca.
  • Kule plazmowe nie powinny przegrzać się podczas jednej lekcji, jednak jeśli zauważysz, że kula nagrzewa się po długim działaniu, zalecamy wyłączenie jej pomiędzy eksperymentami lub co 30 minut. (Oznacza to, że kula będzie musiała zostać włączona i rozgrzana na kilka minut przed rozpoczęciem każdego eksperymentu.)

Badanie pola elektromagnetycznego

W jaki sposób możemy potwierdzić, że niewidoczne pole elektromagnetyczne rzeczywiście znajduje się wokół kuli? W trzech poniższych eksperymentach uczniowie z pomocą różnych rodzajów żarówek wykryją te pola oraz niektóre z ich właściwości.

Sugerowany czas: 20-30 (łącznie z dyskusją)

Materiały

  • Kula plazmowa
  • Standardowa miniaturowa dioda elektroluminescencyjna (LED)
  • Kompaktowa (energooszczędna) lampa fluorescencyjna (15 W)
  • Żarówka (15 W)
  • Jarzeniówka liniowa (18 W)
  • Opcjonalnie: niedziałająca lampa fluorescencyjna (15 W)

Procedury

1) Użycie diody elektroluminescencyjnej

Ten prosty eksperyment umożliwia uczniom zbadanie, jak pole elektromagnetyczne zmienia się wraz z odległością oraz w jaki sposób wytwarza ono prąd płynący w lampie bez podłączania jej do prądu lub baterii.

Poproś uczniów, aby umieścili diodę elektroluminescencyjną z dala od włączonej kuli plazmowej, a następnie stopniowo zmniejszali odległość między nimi, aż do momentu, gdy dioda dotknie powierzchni kuli. Uczniowie powinni chwycić diodę za jedną z elektrod, ponieważ trzymanie szklanej żarówki lub chwycenie obu elektrod uniemożliwi płynięcie prądu.

W pewnej odległości od kuli plazmowej, dioda elektroluminescencyjna powinna zacząć się żarzyć i będzie to robić coraz intensywniej wraz ze zbliżaniem się do kuli.
 

Dioda elektroluminescencyjna znajdująca się blisko kuli. Aby dioda świeciła może okazać się konieczny mały pasek folii służący za przewodnik.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Jorge Yáñez González

Poproś uczniów, aby rozważyli następujące pytania:

  • Dlaczego dioda elektroluminescencyjna świeci, gdy znajduje się w pobliżu kuli?
  • Dlaczego dioda nie świeci, gdy jest daleko od kuli?
  • Dlaczego należy trzymać diodę za jedną elektrodę, aby świeciła?

Gdy dioda elektroluminescencyjna znajduje się z dala od kuli, pole elektromagnetyczne wytwarzane przez kulę plazmową nie jest na tyle silne, aby wpływać na żarówkę. Gdy dioda jest w pobliżu kuli, pole elektromagnetyczne powoduje niewielką różnicę w napięciu w elektrodach diody. Powoduje to płynięcie prądu w diodzie w przypadku zamkniętego (pełnego) obwodu, co ma miejsce, gdy trzymamy ją za jedną elektrodę. Wynika to z faktu, że ciało osoby trzymającej diodę jest jednocześnie przewodnikiem i łączy ją z ziemią, więc zamyka obwód – a dioda świeci. Gdy trzymane są obie elektrody, w diodzie nie ma różnicy potencjałów, więc nie dioda świeci się.

2) Użycie kompaktowej lampy fluorescencyjnej

Powyższy problem można zgłębić przy użyciu kompaktowej lampy fluorescencyjnej, chwytając ją za podstawę. Jak w przypadku diody elektroluminescencyjnej, jej jasność zmienia się wraz z odległością od kuli plazmowej. Uczniowie mogą tu również zaobserwować efekt skwantowanych poziomów energetycznych w atomach.
 

Lampa fluorescencyjna świeci nie dotykając kuli plazmowej.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Jorge Yáñez González

Poproś uczniów, aby umieścili lampę w różnych odległościach od kuli plazmowej (jak w przypadku diody elektroluminescencyjnej), oraz aby spróbowali odpowiedzieć na pytania:

  • Czy istnieje maksymalna odległość od kuli, w której lampa zaczyna świecić?
  • Co takiego dzieje się w lampie, co sprawia, że zaczyna ona świecić?

Jeśli lampa znajduje się wystarczająco blisko kuli, elektrony z oparów atomów rtęci wewnątrz lampy zostają wzbudzone przez pole elektromagnetyczne kuli, które sprawia, że atomy przeskakują do wyższego stanu energetycznego, emitując promieniowanie UV podczas powrotu do stany podstawowego. Wzbudzenie to wymaga minimalnej, dyskretnej ilości energii, lampa musi więc znajdować się w określonej odległości od kuli. Promieniowanie UV nie jest widoczne dla  ludzkiego oka, jednak jest absorbowane przez fluorescencyjną powłokę lampy i ponownie wyemitowane z niższą energią, którą obserwujemy jako jasne światło w lampie.

3) Dalsze eksperymenty z lampami

Ciekawe może okazać się wykonanie powyższego eksperymentu ze starą, nie działającą lampą fluorescencyjną (jeśli uda nam się taką zdobyć), ponieważ lampa może ponownie zaświecić dzięki polu elektromagnetycznemu kuli plazmowej. Większość lamp fluorescencyjnych przestaje działać, gdy mechanizm rozpoczynający proces świecenia ulega zniszczeniu, choć procesy fizyczne zachodzące wewnątrz lampy pozostają niezmienione – w związku z czym w pewnych warunkach lampa nadal może świecić.

Można również powtórzyć ten sam eksperyment z żarówką (z włóknem wolframowym). Lampy fluorescencyjne oraz diody elektroluminescencyjne są obecnie powszechnie stosowane ze względu na niski pobór energii – i właśnie dlatego mogą świecić znajdując się w polu elektromagnetycznym wokół kuli plazmowej. Jednak żarówki zużywają więcej energii i nie zaświecą w podobnych warunkach.

Użycie liniowej lampy fluorescencyjnej niskiego napięcia w celu badania pola elektromagnetycznego również może być pouczające, ponieważ podłużny kształt umożliwia trzymanie jej w różnych pozycjach i w różnych punktach jej długości.  
 

Świecąca lampa fluorescencyjna. Wielkość nie jest istotna, gdyż lampa i tak będzie świecić.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Jorge Yáñez González

Poproś uczniów, żeby przybliżyli lampę fluorescencyjną do kuli na taką odległość, aby jasno świeciła. Jeśli w tym momencie chwycą lampę jedną ręką w połowie długości, zaobserwują, jak lampa przestaje świecić pomiędzy dłonią a dalszym jej końcem.
 

Ręka to granica. Poza nią nie ma światła.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Jorge Yáñez González
 

W tym przypadku dotknięcie ręką lampy umożliwia energii elektrycznej wyładowanie do ziemi w miejscu styku, co zapobiega świeceniu dalszej części lampy.

Latające iskry

W tym eksperymencie pokazujemy, jak wytworzyć bezpieczne iskry przy pomocy kuli plazmowej.

Sugerowany czas: 15-20 min. (łącznie z wyjaśnieniami).

Materiały

  • Kula plazmowa
  • Kuchenna folia aluminiowa
  • Igła do szycia
  • LED

Procedury

Włącz kulę plazmową i po kilku minutach umieść mały kawałek folii kuchennej (1 cm x 1 cm) na szczycie kuli. Następnie bardzo wolno przybliżaj igłę do folii. Gdy znajdzie się w odległości około pół centymetra od niej, zobaczysz elektryczny łuk (iskrę) przeskakujący z folii na igłę.
 

Widzimy elektryczność wychodzącą poza granice kuli plazmowej.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Jorge Yáñez González

Iskra pojawia się, gdyż folia kuchenna jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, a zmienne pole kuli stopniowo zbiera ładunek elektryczny na folii. Gdy zbliżymy do niej igłę, która również jest przewodnikiem elektrycznym, ale nie jest naładowana, ogromna ilość elektronów przeskoczy z folii na małą igłę, aby zneutralizować różnicę elektrycznych potencjałów pomiędzy tymi materiałami.

Gdy umieścimy folię na kuli, powstanie kondensator. Materiały przewodzące to z jednej strony plazma, a z drugiej folia kuchenna. Szkło kuli plazmowej zachowuje się jak dielektryk. Gdy przysuwamy metalowy przedmiot (igłę) w bliskie sąsiedztwo, następuje szybkie wyładowanie i widoczna jest iskra.

Możemy powtórzyć to samo doświadczenie z diodą elektroluminescencyjną i zobaczyć jego efekty po umieszczeniu folii na kuli. Gdy folia zostanie na niej umieszczona, należy przytrzymać LED za jedną z elektrod i powoli przesuwać ją w kierunku folii. Znajdując się nawet blisko folii, dioda nie zaświeci – w przeciwieństwie do pierwszego eksperymentu. Jednak w odległości około 0,5 cm powinno dać się zaobserwować iskrę przeskakującą z folii na LED, która zaświeci się, gdy iskra przeskoczy na elektrodę.
 

Iskra uruchamia diodę elektroluminescencyjną.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Jorge Yáñez González

W tym przypadku dioda jest podświetlana jedynie przez iskrę, a nie przez elektromagnetyczne pole kuli. Dzieje się tak dlatego, że natężenie pola elektromagnetycznego jest bezpośrednio związane z wielkością kuli plazmowej. W dużych kulach plazmowych pole elektromagnetyczne może sprawić, że dioda elektroluminescencyjna zaświeci w pewnej odległości, ale małe kule zwykle używane w edukacji wytwarzają pole magnetyczne o mniejszym natężeniu; aby LED świeciła na odległość musimy podłączyć ją do kondensatora (folii kuchennej przymocowanej do jednej z elektrod diody).

Dalsze ćwiczenia

Doświadczenia opisane powyżej mogą być podstawą do dalszych badań przeróżnych tematów. Uczniowie mogą dowiedzieć się więcej o:

  • Transformatorach Tesli oraz ich wynalazcy, Nikoli Tesli.
  • Plazma to czwarty stan skupienia. Mówi się, że plazma jest najczęściej występującą formą materii we wszechświecie. Dlaczego?
  • Wydajność energetyczna jest różna dla różnych żarówek, a niektóre z nich są mniej szkodliwe dla środowiska. Co powinniśmy z nimi robić, gdy już nie działają, mając na uwadze fakt, że lampy fluorescencyjne zawierają rtęć?

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Obszerny i pouczający artykuł o plazmie, kulach plazmowych i ich polach elektromagnetycznych dostępny jest na stronie CPEP physics.  

Resources

Author(s)

Jorge Yáñez González ukończył studia chemiczne na Uniwersytecie Compultense w Madrycie. Niepokoją go różnice związane z płcią w nauce, a jako nauczyciel fizyki i chemii z 15-letnim stażem (w liceach w Andaluzji) interesuje się przystosowywaniem eksperymentów do warunków szkolnych. Obecnie pracuje w Muzeum Nauki w Grenadzie jako technik zajęć edukacyjnych.


Review

Kule plazmowe często wykorzystywane są jako atrakcja mająca zainteresować uczniów. W artykule zaproponowano sposoby wykorzystania kuli plazmowej podczas lekcji i omówiono fizyczne szczegóły prezentowanych zjawisk.


Stuart Farmer, Robert Gordon’s College, UK




License

CC-BY