Una bola de plasma , globo de plasma o lámpara de plasma es un recipiente de vidrio transparente lleno de gases nobles , generalmente una mezcla de neón , criptón y xenón , que tiene un electrodo de alto voltaje en el centro del recipiente. Cuando se aplica voltaje, se forma un plasma dentro del recipiente. Los filamentos de plasma se extienden desde el electrodo interno hasta el aislante de vidrio externo, dando la apariencia de múltiples haces constantes de luz coloreada (ver descarga de corona y descarga eléctrica luminiscente ). Las bolas de plasma fueron populares como artículos novedosos en la década de 1980. [1]
La lámpara de plasma fue inventada por Nikola Tesla durante su experimentación con corrientes de alta frecuencia en un tubo de vidrio evacuado con el propósito de estudiar fenómenos de alto voltaje . [2] Tesla llamó a su invento un " tubo de descarga de gas inerte ". [3] El diseño de la lámpara de plasma moderna fue desarrollado por James Falk y el estudiante del MIT Bill Parker . [1] [4]
Un tubo de crujido es un dispositivo relacionado que está lleno de perlas recubiertas de fósforo.
Aunque existen muchas variaciones, una bola de plasma suele ser una esfera de vidrio transparente llena de una mezcla de varios gases (más comúnmente neón , a veces con otros gases nobles como argón , xenón y criptón ) a una presión casi atmosférica.
Las bolas de plasma son impulsadas por una corriente alterna de alta frecuencia (aproximadamente 35 kHz ) a 2-5 kV . [1] El circuito de accionamiento es esencialmente un inversor de potencia especializado, en el que la corriente de una fuente de CC de menor voltaje alimenta un circuito oscilador electrónico de alta frecuencia cuya salida se incrementa mediante un transformador de alta frecuencia y alto voltaje , por ejemplo, una bobina Tesla en miniatura o un transformador flyback . La energía de radiofrecuencia del transformador se transmite al gas dentro de la bola a través de un electrodo en su centro. Además, algunos diseños utilizan la bola como una cavidad resonante, que proporciona retroalimentación positiva al transistor de accionamiento a través del transformador. Un orbe de vidrio hueco mucho más pequeño también puede servir como electrodo cuando está lleno de lana de metal o un fluido conductor que está en comunicación con la salida del transformador. En este caso, la energía de radiofrecuencia se admite en el espacio más grande mediante acoplamiento capacitivo a través del vidrio. Los filamentos de plasma se extienden desde el electrodo interior hasta el aislante de vidrio exterior, dando la apariencia de zarcillos móviles de luz de colores dentro del volumen de la bola (ver descarga de corona y descarga eléctrica luminiscente ). Si se coloca una mano cerca de la bola, se produce un ligero olor a ozono , ya que el gas se produce por la interacción de alto voltaje con el oxígeno atmosférico.
Algunas bolas tienen una perilla de control que varía la cantidad de energía que llega al electrodo central. En la configuración más baja que encenderá o "golpeará" la bola, se forma un solo zarcillo. El canal de plasma de este único zarcillo ocupa suficiente espacio para transmitir esta energía de impacto más baja al mundo exterior a través del cristal de la bola. A medida que aumenta la potencia, la capacidad de este único canal se ve superada y se forma un segundo canal, luego un tercero, y así sucesivamente. Los zarcillos compiten también por una huella en el orbe interior. Las energías que fluyen a través de ellos son todas de la misma polaridad, por lo que se repelen entre sí como cargas iguales: un límite delgado y oscuro rodea cada huella en el electrodo interior.
La bola se prepara bombeando todo el aire que sea posible. Luego se rellena con neón hasta una presión similar a una atmósfera. Si se activa la alimentación por radiofrecuencia, si se "golpea" o "enciende" la bola, toda la bola brillará con un rojo difuso. Si se agrega un poco de argón, se formarán los filamentos. Si se agrega una cantidad muy pequeña de xenón, las "flores" florecerán en los extremos de los filamentos. [ cita requerida ]
El neón que se puede adquirir en una tienda de letreros de neón suele venir en frascos de vidrio a presión de vacío parcial. Estos no se pueden utilizar para llenar una bola con una mezcla útil. Se necesitan tanques de gas, cada uno con su regulador de presión y su accesorio adecuados: uno para cada uno de los gases involucrados.
Entre los demás gases nobles, el radón es radiactivo , el helio se escapa a través del vidrio con relativa rapidez y el criptón es caro. Se pueden utilizar otros gases, como el vapor de mercurio . Los gases moleculares pueden disociarse mediante el plasma.
Colocar la punta de un dedo sobre el vidrio crea un punto atractivo para que fluya la energía porque el cuerpo humano conductor (que tiene una resistencia interna menor a 1000 ohmios) [5] se polariza más fácilmente que el material dieléctrico alrededor del electrodo (es decir, el gas dentro de la bola), lo que proporciona una ruta de descarga alternativa que tiene menos resistencia. Por lo tanto, la capacidad del cuerpo conductor grande para aceptar energía de radiofrecuencia es mayor que la del aire circundante. La energía disponible para los filamentos de plasma dentro de la bola fluirá preferentemente hacia el mejor aceptor. Este flujo también hace que un solo filamento, desde la bola interior hasta el punto de contacto, se vuelva más brillante y más delgado. [1] El filamento es más brillante porque hay más corriente fluyendo a través de él y hacia el cuerpo humano, que tiene una capacitancia de aproximadamente 100 pF. [6] El filamento es más delgado porque los campos magnéticos a su alrededor, aumentados por la corriente ahora más alta que fluye a través de él, causan un efecto magnetohidrodinámico llamado pinzamiento : los propios campos magnéticos del canal de plasma crean una fuerza que actúa para comprimir el tamaño del propio canal de plasma.
Gran parte del movimiento de los filamentos se debe al calentamiento del gas que los rodea. Cuando el gas que se encuentra a lo largo del filamento se calienta, se vuelve más flotante y se eleva, llevándose consigo el filamento. Si el filamento se descarga en un objeto fijo (como una mano) en el costado de la pelota, comenzará a deformarse en una trayectoria curva entre el electrodo central y el objeto. Cuando la distancia entre el electrodo y el objeto se vuelve demasiado grande para mantenerla, el filamento se romperá y se formará un nuevo filamento entre el electrodo y la mano (ver también la Escalera de Jacob , que muestra un comportamiento similar).
En cualquier objeto conductor que se encuentre cerca del globo se produce una corriente eléctrica. El vidrio actúa como dieléctrico en un condensador formado entre el gas ionizado y la mano.
Al ajustar el voltaje, la frecuencia, la composición química y la presión del gas en el globo, se pueden lograr muchos efectos coloridos.
En la patente estadounidense 0.514.170 ("Luz eléctrica incandescente", 6 de febrero de 1894), Nikola Tesla describe una lámpara de plasma. Esta patente corresponde a una de las primeras lámparas de descarga de alta intensidad. Tesla utilizó una bola de lámpara de tipo incandescente con un único elemento conductor interno y excitó el elemento con corrientes de alto voltaje de una bobina de Tesla , creando así la emanación de descarga de escobilla. Obtuvo protección de patente para una forma particular de la lámpara en la que un cuerpo pequeño o botón emisor de luz de material refractario está sostenido por un conductor que entra en una bola o receptor muy agotado. Tesla llamó a esta invención la lámpara de terminal único o, más tarde, el "tubo de descarga de gas inerte". [3]
El estilo Groundstar de bola de plasma fue creado por James Falk y comercializado para coleccionistas y museos de ciencia en los años 1970 y 1980. [1] Jerry Pournelle en 1984 elogió a Omnisphere de Orb Corporation como "el objeto más fabuloso del mundo entero" y "magnífico... un nuevo tipo de objeto de arte", afirmando "no puedes comprar el mío por ningún precio". [7]
La tecnología necesaria para formular mezclas de gases utilizadas en las esferas de plasma actuales no estaba disponible para Tesla. [ cita requerida ] Las lámparas modernas suelen utilizar combinaciones de xenón , criptón y neón , aunque se pueden utilizar otros gases. [1] [3] Estas mezclas de gases, junto con diferentes formas de vidrio y electrónica controlada por circuitos integrados, crean los colores vivos, el rango de movimientos y los patrones complejos que se ven en las esferas de plasma actuales.
Las bolas de plasma se utilizan principalmente como curiosidades o juguetes por sus efectos de iluminación únicos y los "trucos" que se pueden realizar con ellas moviendo las manos alrededor de ellas. También pueden formar parte del equipo de laboratorio de una escuela con fines de demostración. Por lo general, no se utilizan para la iluminación general. Sin embargo, en los últimos años, algunas tiendas de artículos novedosos han comenzado a vender luces nocturnas en miniatura con bolas de plasma que se pueden montar en un portalámparas estándar. [8] [9]
Las bolas de plasma se pueden utilizar para experimentar con altos voltajes . Si se coloca una placa conductora o una bobina de alambre sobre la bola, el acoplamiento capacitivo puede transferir suficiente voltaje a la placa o bobina para producir un pequeño arco o energizar una carga de alto voltaje. Esto es posible porque el plasma dentro de la bola y el conductor fuera de ella actúan como placas de un condensador, con el vidrio en el medio como dieléctrico. Un transformador reductor conectado entre la placa y el electrodo de la bola puede producir una salida de radiofrecuencia de mayor corriente y menor voltaje. Una cuidadosa conexión a tierra es esencial para evitar lesiones o daños al equipo.
Acercar materiales conductores o dispositivos electrónicos a una bola de plasma puede hacer que el vidrio se caliente. La energía de radiofrecuencia de alto voltaje acoplada a ellos desde el interior de la bola puede causar una descarga eléctrica leve a la persona que los toque, incluso a través de una carcasa de vidrio protectora. El campo de radiofrecuencia producido por las bolas de plasma puede interferir con el funcionamiento de los paneles táctiles utilizados en computadoras portátiles , reproductores de audio digitales , teléfonos celulares y otros dispositivos similares. [1] Algunos tipos de bolas de plasma pueden irradiar suficiente interferencia de radiofrecuencia (RFI) para interferir con teléfonos inalámbricos y dispositivos Wi-Fi a varios pies o algunos metros de distancia.
Si un conductor eléctrico toca el exterior de la bola, el acoplamiento capacitivo puede inducir suficiente potencial en ella para producir un pequeño arco . Esto es posible porque el vidrio de la bola actúa como un dieléctrico de condensador : el interior de la lámpara actúa como una placa y el objeto conductor en el exterior actúa como la placa de condensador opuesta. [3] Esta es una acción peligrosa que puede dañar la bola u otros dispositivos electrónicos y presenta un riesgo de incendio. [1]
Se pueden formar cantidades perceptibles de ozono en la superficie de una bola de plasma. Muchas personas pueden detectar el ozono en concentraciones de0,01–0,1 ppm , que está justo por debajo de la concentración más baja en la que el ozono se considera nocivo para la salud. La exposición0,1 a 1 ppm produce dolores de cabeza, ardor en los ojos e irritación de las vías respiratorias.
En julio de 2022, una chispa de un globo de plasma en el museo Questacon en Australia encendió el desinfectante de manos a base de alcohol que se había aplicado a las manos de un niño, dejándole quemaduras graves. [10]
