Plazmová guľa, známa aj ako plazmová lampa, je fascinujúce dekoratívne osvetľovacie teleso, ktoré nám umožňuje nahliadnuť do tajov plazmy - štvrtého skupenstva hmoty. Hoci koncept objavil už Nicola Tesla v roku 1894, modernú podobu plazmovej lampy prvýkrát vyrobil Bill Parker z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) v roku 1970, pričom jej zdokonaľovanie trvalo ďalších 20 rokov.
Princíp fungovania plazmovej gule
Základom plazmovej lampy je sklenená guľa naplnená zmesou inertných plynov, ako sú neón, hélium, xenón alebo kryptón, pri nízkom tlaku, ktorý sa pohybuje okolo jednej stotiny atmosféry. Uprostred gule sa nachádza kovová elektróda, ktorá je pripojená na vysokonapäťový transformátor. Tento transformátor, napájaný bežným striedavým napätím 230 V, prevádza energiu na vysokofrekvenčné striedavé napätie v rozsahu 5-20 kV s frekvenciou 10-40 kHz.
Medzi centrálnou elektródou a vnútorným povrchom sklenenej gule tak vzniká silné elektrické pole. V tomto poli sa elektróny, ktoré sú voľne prítomné v plyne, urýchľujú a narážajú do atómov plynu. Pri týchto zrážkach odovzdávajú časť svojej kinetickej energie atómom, čo spôsobuje ich excitáciu (vybudenie na vyššiu energetickú hladinu) alebo priamu ionizáciu (odtrhnutie elektrónu z atómu).
Vzniknuté voľné elektróny následne ionizujú ďalšie atómy plynu, čím sa proces lavínovito šíri. Zároveň prebiehajú aj opačné procesy, ako napríklad zachytenie elektrónov na iónoch a atómoch. Po čase sa v plazme ustáli rovnováha medzi procesmi uvoľňovania a zachytávania elektrónov.
Ako vznikajú svetelné vlákna?
Charakteristické farebné vlákna, ktoré vidíme v plazmovej gule, vznikajú procesom deexcitácie atómov. Keď elektrón v atóme prejde na vyššiu energetickú hladinu, je to nestabilný stav. Atóm sa v krátkom čase vracia na pôvodnú, nižšiu energetickú hladinu a rozdiel energií vyžiari vo forme fotónu. Ak je tento rozdiel energií taký, že zodpovedá fotónu viditeľného svetla, vidíme svetlo danej farby. Farba svetla je špecifická pre každý typ atómu, pretože energetické hladiny sú kvantované.
Procesy ionizácie a excitácie sú síce náhodné, no v plazmovej gule sa formujú stabilné svetelné vlákna. K tomu prispieva niekoľko faktorov. Dôležitý je tlak plynu - pri nízkom tlaku elektróny prejdú dlhšiu dráhu a získajú viac energie, čo by viedlo k ionizácii celého objemu. Pri príliš vysokom tlaku by sa naopak vyžadovalo extrémne vysoké napätie a nevznikli by stabilné vlákna. Optimálny tlak v plazmových lampách je preto nastavený tak, aby umožňoval vznik vlákien.
V oblastiach, kde prebieha ionizácia, tečie silnejší prúd a elektrický odpor je nižší. Týmto oblastiam sa tiež hovorí "pozitívna spätná väzba", ktorá pomáha udržiavať a formovať svetelné vlákna. Horúci plyn stúpa od elektródy smerom k obalu gule, čím ďalej prispieva k formovaniu štruktúr.
Plazmová guľa ako kondenzátor a anténa
Plazmová guľa funguje v podstate aj ako kondenzátor. Jedna elektróda je v strede gule, druhá sa nachádza v podstavci spolu s elektronikou. Pretekajúci prúd a napätie medzi elektródami sú dostatočné na ionizáciu plynu. Aby tento proces prebiehal efektívne, je potrebné vysoké napätie s čo najvyššou frekvenciou, aby sa elektróny mohli rýchlo pohybovať tam a späť.
Plazmová guľa je zároveň aj anténou, ktorá vyžaruje elektromagnetické pole do svojho okolia. Intenzita tohto poľa je dostatočná na to, aby zažala napríklad výbojku v blízkosti. Vodiace objekty v okolí plazmovej gule môžu meniť tvar jej poľa, čo sa prejavuje zmenou polohy, počtu a intenzity svetelných vlákien. Dotyk ruky môže spôsobiť, že sa vytvorí jedno jasné vlákno smerujúce k ruke.
Bezpečnosť a ďalšie zaujímavosti
Hoci plazmová guľa vytvára vysoké napätie, je navrhnutá tak, aby bola bezpečná pre bežné používanie. Elektrický prúd, ktorý sa indukuje v tele človeka pri dotyku, prechádza len tenkou vrstvou pokožky. Nebezpečnejšie však môžu byť kovové predmety v blízkosti plazmovej gule, ktoré sa môžu zahrievať alebo spôsobiť skrat.
V okolí plazmovej gule sa môže vytvárať ozón, ktorý má typický zápach. Vo vysokých koncentráciách môže byť ozón nebezpečný pre človeka, preto sa odporúča používať plazmovú guľu v dobre vetraných priestoroch.
Okrem klasického guľovitého tvaru sa plazmové lampy vyrábajú aj v rôznych iných dizajnoch, čím sa stávajú nielen vedecky zaujímavým objektom, ale aj atraktívnym dizajnovým prvkom.
