Esperimenti di fisica con una sfera al plasma

Se hai mai visto una di quelle sfere di vetro trasparente che si illuminano con una specie di fulmini che si estendono da un globo centrale al punto in cui le tue dita toccano l’esterno del vetro, allora sai quanto sono divertenti le sfere al plasma. Se hai accesso sia a una sfera al plasma – venduta in quasi tutti i negozi di giocattoli o di gadget scientifici – sia a una lampadina fluorescente compatta o un tubo al neon, puoi eseguire un esperimento scientifico molto più interessante di quel che appaia a prima vista, e che può essere una base di partenza per altre esperienze più significative con tubi o reattori al plasma.

Cos’è esattamente una sfera al plasma? Prima di rispondere, diamo un’occhiata a cosa sia il plasma. Anche se suona un po ‘misterioso, il plasma è in realtà la forma più comune di materia nell’universo: è più comune di solidi, liquidi e gas! Il plasma si può definire come “un gas ionizzato caldo contenente quantità approssimativamente uguali di ioni carichi positivamente e di elettroni carichi negativamente”. Il plasma è considerato un quarto stato della materia, diverso da quello solido, liquido e gassoso.

Una sfera al plasma – a volte chiamata anche globo di plasma – è una sfera di vetro trasparente riempita a bassa pressione con una miscela di gas nobili, con un elettrodo ad alta tensione posto al centro. I filamenti di plasma si estendono dall’elettrodo al vetro quando viene fornita l’elettricità, creando affascinanti fasci di luce colorata. Se hai mai toccato una sfera di plasma quando è attiva, sai che posizionando il tuo dito sul vetro si crea un filo colorato di luce fino al tuo dito: una sorta di fulmine personale.

La sfera al plasma fu inventata da Nikola Tesla quando stava sperimentando con le correnti elettriche ad alta frequenza in un tubo a vuoto di vetro. Ecco perché l’elettrodo al centro di una sfera di plasma è anche spesso noto come “bobina di Tesla”. Le sfere al plasma moderne, assai popolari come novità e oggetti educativi, sono state progettate per la prima volta da Bill Parker. Pote trovare ad un ottimo prezzo delle sfere al plasma ideali per i nostri esperimenti online, cliccando qui.

Come funziona davvero una sfera al plasma?

La sfera al plasma è una sorta di bobina di Tesla. All’interno del globo di vetro c’è un vuoto parziale e un gas inerte. La pressione è circa un 1/10 di quella atmosferica. Grazie a una fonte di alimentazione ad alta frequenza collegata all’elettrodo al centro della palla, gli elettroni che attraversano i fili oscillano ad una frequenza molto alta. Ciò scuote gli atomi di gas in modo così forte che i loro elettroni iniziano a staccarsi. Dato che non c’è molta aria, è più facile creare scintille che possono essere viste.

L’interno di una sfera al plasma commerciale, con il trasformatore flyback ben visibile.

L’elettrodo al centro di una sfera al plasma emette una corrente elettrica alternata ad alta frequenza e ad alta tensione. Una sfera al plasma è, essenzialmente, una 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. Questa corrente scorre dall’elettrodo centrale al vetro attraverso i filamenti di plasma, creando meravigliosi viticci di luce colorati.

Il circuito di pilotaggio è costituito essenzialmente da un inverter di potenza, in cui la corrente proveniente da un’alimentazione in corrente continua (DC) a bassa tensione alimenta un circuito di oscillatore elettronico ad alta frequenza la cui uscita è potenziata da un trasformatore ad alta frequenza e ad alta tensione. L’energia in radiofrequenza proveniente dal trasformatore viene trasmessa nel gas all’interno della sfera più grande attraverso un elettrodo al suo centro racchiuso in un globo più piccolo.

La tensione applicata all’elettrodo centrale crea un campo elettrico all’interno della palla. Poiché l’elettrodo è carico negativamente, vengono emessi elettroni liberi nella sfera di vetro, dove interagiscono con ioni caricati positivamente che galleggiano all’interno. Viene immessa allo stesso tempo una tensione oscillante che modifica il campo elettrico e il percorso degli elettroni, con il risultato che i tentacoli – che a questo punto sono ancora invisibili – colpiscono l’interno della palla di vetro più grande.

Il fenomeno che li rende visibili si verifica a causa delle proprietà conduttive del corpo umano (che ha una resistenza di circa 1000 ohm). Quando si tocca il vetro, si crea un percorso di scarica con minore resistenza rispetto al vetro ed ai gas circostanti. I colori dipendono dai gas utilizzati all’interno della sfera al plasma (i gas comuni includono neon, argon, xeno e kripton), che servono a fornire agli elettroni in fuga dall’elettrodo atomi da ionizzare e un percorso da seguire per gli altri elettroni.

Se la sfera al plasma è riempita di neon con una pressione simile a quella di una atmosfera, quando la potenza della radiofrequenza è attivata ed il globo viene “illuminato”, l’intero globo si colorerà di un rosso diffuso. Se viene aggiunto un po’ di argon, si formeranno i filamenti. Se infine viene aggiunta una piccola quantità di xeno, si creeranno dei “fiori” alle estremità dei filamenti. Possono essere anche usati altri gas, come il vapore di mercurio. I gas molecolari possono essere dissociati dal plasma.

Un’immagine nitida di una sfera al plasma commerciale e dei suoi colori. (fonte: Wikipedia)

La bassa pressione e densità del gas nel globo sigillato rende la scarica molto più facile rispetto a quella possibile nell’aria esterna alla normale pressione atmosferica: infatti, la tensione di scarica nell’aria che causa ad es. la scintilla di un generatore Van der Graaff è dell’ordine di 30.000 V/cm, mentre l’uso del gas permette di creare archi lunghi molti centimetri con poche migliaia di volt. Queste fronde di plasma si fanno strada dal centro del globo fino al suo bordo, nel tentativo di raggiungere la terra.

Creare un percorso migliore verso la Terra toccando il globo aumenta l’intensità della scarica, motivo per cui gli archi sono attratti alla tua mano se tocchi il globo. Ciò produce alla fine il “tentacolo” che si estende con continuità dalla bobina di Tesla centrale alla sfera di gas più grande per tutto il tempo in cui viene fornita la tensione. Durante questo processo, gli atomi di gas inerte colpiti dagli elettroni vengono eccitati e liberano a loro volta elettroni, ionizzandosi, con conseguente emissione di luce colorata.

Gran parte del movimento dei filamenti è dovuto al riscaldamento del gas attorno al filamento. Quando il gas lungo il filamento viene riscaldato, diventa più vivace e si muove, portando con sé il filamento. Se il filamento si scarica in un oggetto fisso (come una mano) sulla sfera, inizia a deformarsi in un percorso curvo tra l’elettrodo centrale e l’oggetto. Quando la distanza tra l’elettrodo e l’oggetto diventa troppo grande, il filamento si rompe e un nuovo filamento si riformerà tra l’elettrodo e la mano.

Si noti che l’elettrodo posto al centro della sfera al plasma è circondato da un mucchio di fili somiglianti vagamente a una lana d’acciaio. I “tentacoli” provengono da questi fili e ciò si traduce nel loro carattere quasi casuale che si osserva. Inoltre, normalmente pensiamo al vetro come non conduttore, ma la realtà è che alcuni tipi di vetro sono in grado di interagire meglio con l’elettricità rispetto ad altri, come potete divertirvi a scoprire progettando, eventualmente, un esperimento ad hoc.

Due modi per illuminare un tubo fluorescente

Una sfera al plasma commerciale (come ad es. quelle che trovate qui) può essere usata per effettuare degli interessanti esperimenti casalinghi che al buio sono assai spettacolari. Infatti, i graziosi archi viola di plasma che danzano in una sfera al plasma sono creati – coma abbiamo visto – da una grande tensione alternata che arriva all’elettrodo posto al centro della sfera, e quella tensione alternata crea un campo elettromagnetico con il quale possiamo illuminare a distanza un tubo fluorescente.

Questo perché la tensione alternata al centro della sfera crea onde elettromagnetiche e gli archi di plasma agiscono come antenne, il che significa che l’estensione del campo elettromagnetico che circonda la palla è significativamente maggiore dei limiti del globo di vetro. Portare un tubo fluorescente  vicino alla sfera del plasma consente di accelerare gli elettroni all’interno di questo campo elettromagnetico, e gli elettroni in movimento costituiscono una corrente elettrica che fa illuminare il tubo in questione.

Dunque, puoi far accendere una lampada fluorescente (ad es. un comune tubo al neon oppure una lampadina fluorescente compatta) avvicinandola alla sfera al plasma. Se usi un lungo tubo al neon, è possibile controllare la quantità di tubo illuminata con la mano, come in figura. La parte del tubo più vicina alla sfera al plasma verrà illuminata, mentre la parte più esterna rimarrà scura. Puoi inoltre vedere l’evanescenza o lo sbiadimento della luce mentre allontani il tubo dalla sfera al plasma.

Un esperimento della sfera al plasma con un tubo al neon, come descritto nel testo.

Sebbene tu non possa vederlo, il campo elettromagnetico – prodotto grazie all’alimentazione ad alta frequenza fornita all’elettrodo al centro della sfera – si estende oltre la superficie della palla. Quando porti un tubo fluorescente vicino alla palla, il campo eccita gli atomi di mercurio presenti nella lampadina fluorescente. Gli atomi eccitati emettono luce ultravioletta che viene assorbita nel rivestimento di fosforo all’interno del tubo fluorescente, convertendo la luce ultravioletta in luce visibile.

Ciò dimostra in modo chiaro che le onde elettromagnetiche possono essere utilizzate per accelerare le particelle, fornendo un’alternativa alle grandi tensioni statiche fornite dai generatori Van der Graaff (ricordati di spegnere le luci in modo da poter vedere bene la sfera al plasma e il tubo fluorescente). In un vero acceleratore di particelle in radiofrequenza (RF), si utilizzano comunque delle apposite “cavità” per dare alle particelle una sorta di “calcio” con un’onda elettromagnetica stazionaria.

Tuttavia la sfera al plasma è anche un po’ come il generatore di Van de Graaff, con la carica che si accumula sulla sfera interna posta al centro della sfera al plasma. Mentre gli archi colorati sono causati dalle cariche che si muovono attraverso il gas: il concetto è analogo a quello di un lampo associato a un fulmine che scarica nell’aria. L’elettricità scorre attraverso le persone abbastanza facilmente – almeno rispetto all’aria, alla plastica, al legno, etc. – il che può permetterti di fare altri esperimenti.

Puoi provare alcune varianti divertenti. Sali su una sedia o su uno sgabello di legno – o su qualsiasi cosa non in metallo – senza toccare quindi con i piedi per terra, e metti la mano sulla sfera al plasma. Ora fatti passare da un amico o da un aiutante il tubo fluorescente. Lo vedi accendersi? Cosa succede quando il tuo amico te lo lascia? Se ti trovi su uno sgabello, sei isolato dal terreno e ti riempi di elettroni. Questo significa che puoi illuminare al meglio un tubo o una lampadina fluorescente.

È possibile dimostrare che l’elettricità scorre davvero attraverso di te tenendo l’estremità del tubo al neon o della lampadina fluorescente e toccando con l’altra estremità la sfera al plasma. Usa l’altra mano per creare un percorso per le cariche elettriche. Tali cariche si creano nella sfera al plasma, vanno nel tuo braccio, poi giù per il tuo corpo, fin sul pavimento. Nota che mettere la lampadina solo vicino alla sfera la illuminerà, ma a causa dei campi elettromagnetici prodotti dalle cariche in movimento.

Alcune delle numerose esperienze possibili con una sfera al plasma.

Prova a mettere la mano al centro del tubo al neon. Solo una parte del tubo si accende perché il percorso più facile per la carica deve ancora uscire attraverso la mano (quindi andare giù per il braccio, etc.). Per dimostrare quanto le persone siano buoni i conduttori, prova a unire “a catena” diverse persone: chiedi a una prima persona di toccare la sfera al plasma e di tenere con l’altra mano un’altra persona, che a sua volta ne terrà per mano un’altra, e così via, fino a creare una catena umana.

Le ultime due persone della catena dovrebbero tenere il tubo al neon tra di loro per mostrare che l’elettricità sta ancora scorrendo. Quando la prima persona tocca la sfera al plasma, il tubo fluorescente posto all’altra estremità della catena si illuminerà, poiché l’elettricità fluisce dalla sfera al plasma, attraverso tutta la catena, attraverso il tubo e poi giù tramite l’ultima persona fin sul pavimento. È però importante isolare l’intera catena dal suolo eccetto che l’ultima persona.

La luce sarà piuttosto fioca dopo tutta la resistenza creata dalla catena umana, quindi in particolare per questo tipo di esperimento la stanza deve essere piuttosto buia. Per far illuminare il tubo fluorescente, potresti aver bisogno che l’ultima persona lo tocchi vicino alla metà e poi ritiri la mano. Ciò riduce infatti la resistenza iniziale. Si noti che la quantità di energia prodotta dalla sfera al plasma è molto piccola nonostante l’alta tensione, quindi l’esperimento è sicuro da questo punto di vista.

Altri possibili esperimenti semplici e divertenti

Anche le lampadine ad argon o a led si accendono se poste vicino a una sfera al plasma. Inoltre, se metti una calcolatrice semplice con uno schermo a LED vicino a una sfera di plasma, i numeri sulla calcolatrice impazziranno e inizieranno a cambiare da soli. Non provare questo trucco con una calcolatrice di valore, in quanto l’esperimento potrebbe rovinare lo schermo a LED. Infine, le frequenze emesse dalla sfera potrebbero interferire con telefoni cellulari, Wi-Fi e telefoni cordless.

Effetto di una sfera al plasma su un display a led posto vicino o sopra di essa.

Un altro esperimento divertente è il seguente. Se copri la sfera al plasma mentre è spenta con un foglio di carta stagnola, e poi metti un foglio di carta sul foglio di alluminio, puoi scrivere sulla carta con un perno di metallo o con una punta di coltello affilata. di un filo collegato alla terra. Prendi ad esempio un grosso chiodo e avvolgi del filo intorno alla punta, quindi attacca il chiodo con il filo avvolto su di esso nel terreno fuori casa, oppure avvolgi il filo (senza il chiodo) a un rubinetto dell’acqua.

Ora hai una ottima fonte di terra, che sarà utile per i tuoi esperimenti con la sfera al plasma. Tutto ciò che scrivi sul foglio di carta posto sulla sfera con una punta metallica collegata al filo (a sua volta collegato a terra come appena descritto) verrà bruciato a causa dell’interazione tra il metallo e la corrente elettrica, e se non stai attento potrebbe anche prendere fuoco. Se usi la sfera al plasma per creare effetti di bruciatura, alla fine non lasciare nulla di infiammabile in contatto con la sfera.

Se avvicini il cavo di messa a terra molto vicino alla sfera di plasma ricoperta con della carta stagnola, otterrai dei piccolissimi archi viola. Ma fa attenzione a non toccare direttamente la sfera con il cavo di messa a terra, poiché potresti danneggiarla irreparabilmente. Se invece colleghi un’estremità di un tubo al neon al filo collegato a terra e poni l’altra estremità del tubo a contatto con la sfera al plasma, vedrai che si illumina molto di più. Lampadine fluorescenti ed a led potrebbero però danneggiarsi.

Si noti che se una piastra conduttiva o una bobina è posizionata sulla sfera al plasma, l’accoppiamento capacitivo può trasferire una tensione sufficiente alla piastra o bobina per produrre un piccolo arco o energizzare un carico ad alta tensione. Questo è possibile perché il vetro della sfera agisce come un dielettrico di un condensatore: l’interno della sfera agisce come una piastra, e l’oggetto conduttivo all’esterno agisce come la piastra opposta del condensatore.

L’arco prodotto fra la piastra conduttiva posta sulla sfera e un oggetto metallico appuntito.

Occorre tenere presente che questa di far toccare a un conduttore elettrico l’esterno della sfera è un’azione pericolosa che può danneggiare la sfera o altri dispositivi elettronici e presenta un pericolo di incendio. Inoltre, il portare materiali conduttivi o dispositivi elettronici vicini a una sfera al plasma può causare il surriscaldamento del vetro. E l’energia in radiofrequenza ad alta tensione accoppiata ad essi dall’interno della sfera potrebbe causare una leggera scossa elettrica.

Sempre sul tema del trasformare l’energia della sfera in calore segnaliamo il seguente semplice esperimento. Se si tiene un fiammifero spento a pochi centimetri sopra la parte superiore di una sfera al plasma, dopodiché si tocca la punta del fiammifero con una matita, il fiammifero prenderà fuoco. Potrebbe essere necessario attendere fino a un minuto perché ciò accada. Fai molta attenzione a spegnere immediatamente il fiammifero e non permettere al fuoco di diffondersi.

Infine, è interessante vedere cosa succede se si mettono uno o più magneti al neodimio vicino alla sfera al plasma. In realtà non succede molto, ma gli archi attratti dai magneti a causa della loro conduttività. Tuttavia, se avvolgete la sfera con carta stagnola  alluminio e poi collegate un’estremità del tubo allo xeno alla sfera al plasma e l’altra estremità del tubo allo xeno alla terra, avvicinando i magneti al tubo l’arco presente all’interno del tubo si muove, influenzato dal campo magnetico.

Se tocchi una sfera al plasma con una mano e tocchi un’altra persona con l’altra, darai all’altra persona una scossa elettrica. Questo perché il tuo corpo diventa un conduttore di elettricità. Assicurati di avvertire i tuoi amici prima di provare questo trucco su di loro. Ma la cosa più interessante è che, se appoggi su una sfera al plasma ad es. una fede nuziale e poi tocchi la fede appoggiata sul vetro della sfera, sentirai una scossa elettrica ancora più forte, sebbene non pericolosa. Perché succede questo?

Il meccanismo risulta essere, in pratica, il seguente. Ciò che spinge i “tentacoli” nella sfera al plasma sono i campi elettrici alternati. Per coloro che hanno maggiore conoscenza dell’elettricità, l’elettrodo centrale è accoppiato capacitativamente con la parete interna del globo di vetro. La capacità risulta dal raggruppamento di cariche sulle superfici interne. Con una fonte di corrente alternata, i raggruppamenti di cariche si alternano, ed in una sfera al plasma si alternano molto rapidamente.

Mentre i “tentacoli” terminano normalmente all’interno del vetro, i campi elettrici attraversano facilmente il vetro, come si può mostrare facilmente con un rilevatore di campo elettrico. Ricordo che i campi elettrici possono guidare le correnti e che i campi elettrici alternati possono causare rapidi cambiamenti nella polarizzazione elettrica. Se quindi poniamo oggetti metallici sulla sfera, questi possono polarizzarsi elettricamente molto più facilmente di quanto possa fare il vetro del globo di plasma.

Vari tipi di sfere al plasma che si possono trovare in commercio.

Quando si posiziona l’anello sulla sfera, un po’ più di tentacoli termineranno vicino ad esso. Quando porti un dito o una mano vicino all’anello, l’effetto è ancora più grande. Ora i campi elettrici alternati stanno guidando le correnti nel tuo corpo vicino alla sfera. Se c’è uno spazio tra l’anello e una delle tue dita senza che alcuna altra parte del tuo corpo tocchi l’anello, puoi vedere e sentire scintille tra l’anello e il dito. Se poi annusi questo dito dove hai visto le scintille, sentirai odore di carne bruciata.

AVVERTENZE – Chiunque abbia problemi cardiaci o un pacemaker deve stare lontano da tutti questi tipi di esperimenti. Inoltre, toccare qualcosa di metallo (come il bordo del tavolo) mentre si tocca la sfera al plasma può provocare una scossa. Non è pericolosa, ma può cogliere di sorpresa. Infine, lasciare la mano sulla sfera al plasma in un punto per un lungo periodo genera calore. Quando ci si collega ad altre persone, il riscaldamento può diventare molto veloce per la persona che tiene dita sulla sfera. Non avvicinare apparecchi elettronici alla sfera al plasma, poiché potrebbero venire danneggiati. Si noti che alcuni tipi di sfere al plasma possono irradiare interferenze a radiofrequenza (RF) sufficienti per interferire con telefoni cordless, tablet, smartphone e dispositivi Wi-Fi a diversi metri di distanza.

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