Come realizzare una sfera al plasma

Se hai mai avuto aspirazioni a diventare uno scienziato pazzo – o anche solo a sembrarlo – non soltanto hai bisogno di un laboratorio che faccia una bella impressione, ma anche di gadget divertenti e interessanti da mostrare. Uno di questi artefatti dall’aspetto scientifico è la sfera al plasma. Esistono in commercio delle sfere simili a poco prezzo, ma se si è adulti esperti e responsabili è molto più istruttivo realizzarne una a partire da comuni componenti, come una lampadina a incandescenza, che può diventare così la sfera in cui si forma il plasma. Qui illustreremo un semplice progetto di sfera al plasma fai-da-te.

Le sfere al plasma che si trovano in commercio (ad esempio qui) utilizzano vari gas nobili con un elettrodo ad alta tensione per creare fasci di luce colorata che danzano all’interno della cupola di vetro. Sebbene la prima lampada al plasma sia stata inventata da Nikola Tesla nel 1892, l’inventore Bill Parker – all’epoca studente all’MIT – ha creato il design moderno delle lampade al plasma nel 1971. Sono poi diventati oggetti di tendenza popolari e con un aspetto creativo ed artistico negli anni ’80.

Il componente fondamentale della sfera al plasma in commercio è una piccola fonte di alta tensione ad alta frequenza di diverse migliaia di volt con una frequenza da diversi chilohertz a diverse decine di chilohertz. Questa tensione viene inviata all’elettrodo posto al centro di una sfera di vetro riempita con un gas adatto. A causa delle correnti capacitive, si formano scariche tra l’elettrodo e il vetro. Quando tocchi la sfera, le scariche luminose punteranno soprattutto verso l’area in cui tocchi.

Una sfera al plasma è una sorta di bobina di Tesla in miniatura che canalizza una tensione alternata di circa 2-5 kV a una frequenza di circa 35 kHz, racchiusa all’interno di una grande sfera di vetro contenente un gas inerte come neon o argon (le moderne sfere in commercio contengono miscele di più gas a una pressione di circa 1/10 di quella atmosferica). Si chiama “al plasma” perché vengono strappati elettroni dagli atomi del gas presenti, che dunque si ionizzano e caricano elettricamente.

Un semplice progetto di sfera al plasma

Nel progetto che illustrerò, l’alimentatore ad alta tensione e ad alta frequenza è molto semplice. Si tratta di prendere un trasformatore di alta tensione da un vecchio ricevitore televisivo o monitor di PC, quelli con tubo catodico (oppure lo puoi acquistare nuovo, ad es. qui). Deve essere un trasformatore senza raddrizzatore integrato, per poter fornire una tensione ad alta frequenza. L’avvolgimento primario del trasformatore viene rimosso o lasciato inutilizzato e un nuovo primario viene avvolto (5 giri e 3 giri) come mostrato nello schema seguente.

Il circuito più semplice per alimentare una sfera al plasma fai-da-te comprende un trasformatore flyback pilotato da un transistor.

L’avvolgimento secondario del trasformatore viene invece lasciato nello stato originale. Un’altra parte del circuito è il transistor di potenza e una piccola lampadina a bulbo (24 V da 5 a 10 W) che funge da resistenza e segnala contemporaneamente l’accensione (questa lampadina può essere sostituita da una resistenza di 50-100 Ohm 5-10 W). Questi componenti formano un semplice oscillatore. L’ingresso dell’alimentatore è una semplice tensione di 12-15 V in corrente continua (DC).

Il condensatore da 1000 μF riduce anche la resistenza interna dell’alimentatore. Questo condensatore è di tipo elettrolitico ed è collegato vicino al’ingresso dell’alimentatore ad alta tensione e viene utilizzato per mantenere stabile l’ingresso DC. È importante notare che l’orientamento del condensatore deve essere corretto. Per sapere da che parte dovrebbe andare, cerca la gamba più lunga (che indica il positivo) c’è anche spesso una striscia sul lato del condensatore per indicare il lato negativo.

La tensione di uscita di questo alimentatore è di circa 16 kV e la frequenza intorno a 25 kHz. Nota: il polo negativo deve essere collegato a terra. La sfera al plasma che troviamo nei gadget commerciali viene qui sostituita con una normale lampadina a incandescenza, di quelle quindi che vengono normalmente alimentate a tensione di rete (circa 25-200 W), che viene riempita con argon. L’effetto è simile. Tra il filamento e la lampadina si formano diverse scintille in movimento.

Una comune lampadina a incandescenza trasformata di una sfera al plasma.

Quando si utilizza il circuito, è necessario prestare molta attenzione poiché la bobina di accensione, se non avete dato il numero corretto di spire, potrebbe erogare circa 20-30 kV quando si utilizza circa 15 V e 5 A come alimentazione. Pertanto, non solo l’uscita della bobina non deve essere toccata in quanto potrebbe provocare uno shock e costituisce potenzialmente un pericolo mortale, ma non deve essere toccato nemmeno il terminale centrale della lampadina collegato all’alta tensione.

Per evitare pericolosi contatti accidentali, si consiglia vivamente di avvitare la lampadina su un normale portalampada volante. Dopodiché, si collegherà il cavo che trasporta l’alta tensione prodotta dal circuito appena descritto al terminale del portalampada collegato con il punto centrale della base della lampadina. In questo modo, il filamento della lampadina costituirà l’elettrodo centrale ad alta tensione. L’unica cosa che potremo sfiorare o toccare in questa esperienza è il vetro della lampadina, null’altro.

Il circuito illustrato usa un trasformatore che, se non modificato, emette tensioni elevate fino a 25.000 volt o più e può ucciderti. Non sostituire alcun componente del circuito illustrato con componenti di diversi valori! È fondamentale per la tua sicurezza. Ti consiglierei di fare qualche ricerca sulle alte tensioni prima di provare questo progetto. Inoltre, tieni presente che questo non è un progetto per principianti, ma per chi ha esperienza nel lavorare con trasformatori flyback, alte tensioni e correnti letali.

Ovviamente, il problema della costruzione dell’alimentatore ad alta tensione può essere aggirato prelevandolo già fatto e con le caratteristiche giuste semplicemente smontando una sfera al plasma commerciale (alcune costano davvero poco, e le trovi qui), che ce lo fornisce già pronto e con le parti più pericolose ben protette. Infatti, come si vede nella figura qui sotto il cavo con l’alta tensione fuoriesce dal trasformatore flyback ben visibile con il suo nucleo rettangolare in ferrite.

L’interno di una sfera al plasma commerciale, con l’alimentatore ad alta tensione e frequenza.

Osservazioni e possibili migliorie al circuito

Può essere utile implementare nell’alimentatore un parzializzatore, cioè un circuito regolatore PWM (li puoi acquistare a basso costo qui), che di fatto permette la regolazione della tensione di uscita. Trovate dei PWM già pronti in vendita online. Il PWM dovrà venire regolato tramite la sua manopola in modo che diventino visibili, nel bulbo della lampadina, dei bei filamenti. Occorre iniziare sempre con l’impostazione del duty-cycle del PWM a zero, quindi aumentare lentamente ruotando la manopola fino a un duty -ycle di circa il 50%.

L’impostazione della frequenza di parzializzazione del PWM viene quindi regolata mentre si osserva il plasma all’interno della lampadina. Ad alcune frequenze (cioè quando il duty-cycle è prossimo a zero) non si vedrà plasma, mentre quando si usa la giusta frequenza (cioè il giusto duty-cycle) dovrebbero apparire molti “tentacoli” colorati che ballano all’interno del bulbo. Quando la frequenza diventa abbastanza alta, potrebbe svilupparsi un ronzio piuttosto elevato, che però è normale.

Alcuni sperimentatori stranieri hanno usato, per alimentare la lampadina con alta tensione, una bobina di Tesla portatile come quella in figura. Altri lettori avranno forse l’idea di alimentare la lampadina con una bobina di Tesla auto-costruita. Ma vorrei sottolineare il fatto che le bobine di Tesla, oltre a fornire tensioni e correnti spesso ben più elevate di quelle qui necessarie, anche per questo sono estremamente pericolose e talvolta mortali, e dunque il mio consiglio è di non costruirne mai una.

Una sfera al plasma autocostruita usando una bobina di Tesla portatile.

Il trasformatore usato nel progetto qui presentato è usualmente noto come “trasformatore flyback”. Si tratta di un tipo speciale di trasformatore elettrico. Inizialmente è stato progettato per generare segnali a dente di sega ad alta tensione ad una frequenza relativamente alta, per controllare il movimento orizzontale del fascio di elettroni in un tubo a raggi catodici (CRT). Le tensioni molto elevate prodotte possono fornire, dopo la rettificazione, l’altissima tensione di accelerazione per un CRT.

Nelle moderne applicazioni, il trasformatore flyback è ampiamente utilizzato negli alimentatori switching per alimentazioni a bassa (3 V) e alta tensione (oltre 10 kV). Molte più recenti applicazioni di questo tipo di trasformatore dispensano dalla necessità di produrre tensioni elevate e utilizzano il dispositivo come un mezzo relativamente efficiente per produrre un’ampia gamma di tensioni più basse usando un trasformatore che è molto più piccolo di un trasformatore di rete convenzionale.

Ovviamente, se si recupera il trasformatore flyback da un vecchio monitor o televisore con tubo a raggi catodici occorre riconoscere il raddrizzatore per eliminarlo. In questo modo l’uscita del trasformatore è in corrente alternata (AC), non rettificata, condizione essenziale per una sfera al plasma. La corrente a radiofrequenza (RF) è necessaria perché il “globo” di vetro non lascia passare la corrente continua (come un condensatore). L’ingresso del flyback è a bassa tensione (ad es. del tipo 12 V DC).

Una scarica ad arco prodotta da un trasformatore flyback opportunamente modificato.

Si può facilmente dissaldare un trasformatore flyback da un televisore o un monitor CRT utilizzando una fiamma ossidrica o, per i nostri scopi, è possibile rompere tranquillamente il circuito stampato su cui è eventualmente montato. Esso è caratterizzato da un nucleo di ferrite su cui sono avvolti il primario e il secondario (quest’ultimo lo riconosci facilmente per la geometria toroidale). Se non sai come modificare in pratica il numero di spire del primario, puoi fare qualche ricerca su Internet.

Si noti che i trasformatori flyback dei televisori o dei monitor molto grandi possono fornire tensioni assai elevate e perciò, per avere le tensioni di uscita ben più basse che ci occorrono (2-5 kV), occorre realizzare un nuovo avvolgimento primario, come descritto nella prima parte di questo articolo. Usando il PWM al posto (anziché in aggiunta!) del rifare il primario, ci esporremmo a un pericolo potenzialmente letale se per errore regoliamo il PWM a duty-cycle elevati, perciò sconsiglio chiunque di correre il rischio!

In ogni caso, quando il circuito ad alta tensione è in funzione occorre starci ben lontani per evitare scariche involontarie che coinvolgano il nostro corpo. Pertanto, tutto il circuito ad alta tensione dovrà essere distante ed eventualmente collocato all’interno di un contenitore isolante, dal quale fuoriuscirà il cavo ad alta tensione che verrà collegato al terminale giusto (non dovete sbagliare!) del portalampada. E le parti metalliche esterne del portalampada andranno coperte con più strati di nastro isolante.

Lampadine “buone” e un’alternativa fai-da-te

Per realizzare questa esperienza, non basta solo usare una lampadina. Deve essere una lampadina riempita di gas. In genere, dovrebbero funzionare quelle a incandescenza da almeno 60 W o di potenza superiore. Le lampadine alimentate a bassa tensione hanno tipicamente solo il vuoto al loro interno, mentre le lampadine a incandescenza da 60 W o più di solito hanno un mix di azoto e argon, che si illumina benissimo. Oggi queste lampadine sono fuori produzione, ma le trovate ancora in molte case.

In alternativa alla lampadina commerciale, si può usare un matraccio a forma sferica da 250 ml, come quelli usati normalmente in laboratorio di chimica. Per poter svuotare la sfera del matraccio dall’aria, si può usare un tappo di gomma in cui è infilato un tubo Swagelok che va a una comune pompa da vuoto (come quelle usate per gli impianti di aria condizionata, e che trovi ad esempio qui), e dotato di una valvola di ottone che permetta di mantenere il gas nella sfera una volta che è stato immesso.

Una sfera al plasma realizzata con un matraccio e una pompa da vuoto. (cortesia G. Miller)

Infatti, prima di fare il vuoto, occorre riempire la sfera di gas nobile. Si può provare, ad esempio, Krypton, elio e argon. L’argon sembra funzionare al meglio e anche l’aria funziona molto bene. Si può fare il vuoto (misurando la pressione con il manometro della pompa) fino a circa 10 torr, ovvero a quasi 1/100 della pressione atmosferica. Dopo aver fatto il vuoto, si può chiudere la valvola di ottone, scollegare la pompa da vuoto e collegare l’alta tensione a un elettrodo che avremo posto prima nella sfera.

Per realizzare l’elettrodo da porre al centro della sfera, si può usare un filo metallico fatto passare attraverso il tappo di gomma,lateralmente rispetto al foro per il tubo Swagelok. All’estremità del filo collegheremo un pezzo – di meno di un centimetro cubo di volume – di lana di acciaio, ovvero quella che si usa in cucina e che trovate in qualsiasi negozio di articoli per la pulizia domestica. La lana d’acciaio, infatti, aumenterà la generazione casuale di filamenti dall’elettrodo centrale fino al vetro.

Le sfere al plasma commerciali (come ad es. i modelli che trovi a buon prezzo qui) si prestano ottimamente a una serie di divertenti esperimenti di fisica che spesso gli stessi possessori di questi apparecchi – venduti nei migliori negozi di giocattoli – riescono a immaginare. Se vuoi saperne di più a riguardo, puoi leggere il mio articolo Esperimenti di fisica con una sfera al plasma, che rappresenta una raccolta delle esperienze fattibili in sicurezza. La sfera fai-da-te qui presentata, invece, non è un giocattolo!

AVVERTENZE – Lavorare con sorgenti di alte tensioni può essere potenzialmente letale. Usare l’alta tensione è pericoloso e può causare scosse elettriche o ustioni. Per qualsiasi lesione provocata da questo dispositivo non mi assumo alcuna responsabilità. Tutto ciò che fai è a tuo rischio. Pertanto, questa esperienza è riservata esclusivamente a sperimentatori adulti con un background elettronico, fisico o ingegneristico, e devono essere adottate tutte le accortenze del caso, documentandosi a riguardo su Internet. Per gli altri, suggerisco di limitarsi agli esperimenti descritti in un altro mio articolo con una sfera al plasma commerciale venduta nei migliori negozi di giocattoli, già pronta all’uso e non pericolosa. Anche chiunque abbia problemi cardiaci o un pacemaker deve stare lontano da tutti questi tipi di esperimenti.

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