Globe à plasma - Plasma globe
Un globe à plasma ou lampe à plasma (également appelé boule à plasma , dôme , sphère , tube ou orbe , selon la forme) est un récipient / boule en verre transparent rempli d'un mélange de divers gaz nobles avec une électrode haute tension au centre de la récipient.
Lorsqu'une tension est appliquée, un plasma se forme à l'intérieur du conteneur. Les filaments de plasma s'étendent de l'électrode interne à l'isolant en verre externe, donnant l'apparence de multiples faisceaux constants de lumière colorée (voir décharge corona et décharge électrique luminescente ). Les globes à plasma étaient les plus populaires en tant qu'articles de fantaisie dans les années 1980.
La lampe à plasma a été inventée par Nikola Tesla , lors de son expérimentation avec des courants haute fréquence dans un tube de verre sous vide dans le but d'étudier les phénomènes haute tension . Tesla a appelé son invention un " tube à décharge de gaz inerte ". La conception moderne de la lampe à plasma a ensuite été développée par James Falk et l'étudiant du MIT Bill Parker .
Description
Bien que de nombreuses variantes existent, une lampe à plasma est généralement une sphère en verre transparent remplie d'un mélange de divers gaz (le plus souvent du néon , parfois avec d'autres gaz rares tels que l' argon , le xénon et le krypton ) à une pression presque atmosphérique. Un tube à craqueler est un dispositif associé rempli de billes recouvertes de phosphore. Les lampes à plasma sont alimentées par un courant alternatif haute fréquence (environ 35 kHz ) de 2 à 5 kV . Le circuit de commande est essentiellement un onduleur de puissance spécialisé , dans lequel le courant provenant d'une alimentation CC à basse tension alimente un circuit oscillateur électronique haute fréquence dont la sortie est augmentée par un transformateur haute fréquence et haute tension . L'énergie radiofréquence du transformateur est transmise dans le gaz à l'intérieur du globe par une électrode en son centre. De plus, certaines conceptions utilisent le globe comme une cavité résonnante, qui fournit une rétroaction positive au transistor de commande à travers le transformateur. Un orbe de verre creux beaucoup plus petit peut également servir d' électrode lorsqu'il est rempli de laine métallique ou d'un fluide conducteur qui est en communication avec la sortie du transformateur. Dans ce cas, l'énergie radiofréquence est admise dans le plus grand espace par couplage capacitif à travers le verre. Les filaments de plasma s'étendent de l'électrode interne à l'isolant en verre externe, donnant l'apparence de vrilles mobiles de lumière colorée dans le volume du globe (voir décharge corona et décharge électrique luminescente ). Si une main est placée près du globe, elle produit une légère odeur d' ozone , car le gaz est produit par une interaction à haute tension avec l'oxygène atmosphérique.
Certains globes ont un bouton de commande qui fait varier la quantité d'énergie allant à l'électrode centrale. Au réglage le plus bas qui allumera ou «frappera» le globe, une seule vrille est faite. Le canal de plasma de cette seule vrille engage suffisamment d'espace pour transmettre cette énergie de frappe la plus basse au monde extérieur à travers le verre du globe. Au fur et à mesure que la puissance augmente, la capacité de ce canal unique est dépassée et un deuxième canal se forme, puis un troisième, et ainsi de suite. Les vrilles se disputent également chacune une empreinte sur l'orbe interne. Les énergies qui les traversent sont toutes de la même polarité, elles se repoussent donc comme des charges similaires: une fine frontière sombre entoure chaque empreinte de l'électrode interne.
Le fait de placer le bout d'un doigt sur le verre crée un endroit attrayant pour que l'énergie circule, car le corps humain conducteur (ayant une résistance non ohmique d'environ 1000 ohms à température ambiante) est plus facilement polarisé que le matériau diélectrique autour de l'électrode (c.-à-d. gaz dans le globe) fournissant un chemin de décharge alternatif ayant moins de résistance. Par conséquent, la capacité du grand corps conducteur à accepter l'énergie radiofréquence est supérieure à celle de l'air environnant. L'énergie disponible pour les filaments de plasma à l'intérieur du globe s'écoulera préférentiellement vers le meilleur accepteur. Cet écoulement amène également un seul filament, de la bille intérieure au point de contact, à devenir plus brillant et plus fin. Le filament est plus brillant car il y a plus de courant qui le traverse et dans la capacité de 150 pF, ou capacité , présentée par un objet, un corps conducteur, de la taille d'un humain. Le filament est plus fin car les champs magnétiques qui l'entourent, augmentés par le courant désormais plus élevé qui le traverse, provoquent un effet magnétohydrodynamique appelé autofocalisation : les champs magnétiques du canal plasma créent une force agissant pour comprimer la taille du canal plasma lui-même. .
Une grande partie du mouvement des filaments est due à l'échauffement du gaz autour du filament. Lorsque le gaz le long du filament est chauffé, il devient plus flottant et monte, entraînant le filament avec lui. Si le filament se décharge dans un objet fixe (comme une main) sur le côté du globe, il commencera à se déformer en une trajectoire courbe entre l'électrode centrale et l'objet. Lorsque la distance entre l'électrode et l'objet devient trop grande pour être maintenue, le filament se cassera et un nouveau filament se reformera entre l'électrode et la main (voir aussi l'échelle de Jacob , qui présente un comportement similaire).
Un courant électrique est produit dans tout objet conducteur près de l'orbe. Le verre agit comme un diélectrique dans un condensateur formé entre le gaz ionisé et la main.
Le globe est préparé en pompant autant d'air que possible. Le globe est ensuite rempli de néon à une pression similaire à une atmosphère. Si l'alimentation radiofréquence est activée, si le globe est "frappé" ou "allumé", maintenant, le globe entier brillera d'un rouge diffus. Si un peu d'argon est ajouté, les filaments se formeront. Si une très petite quantité de xénon est ajoutée, les "fleurs" fleuriront aux extrémités des filaments.
Le néon disponible à l'achat pour un magasin d'enseigne au néon vient souvent dans des flacons en verre à la pression d'un vide partiel. Ceux-ci ne peuvent pas être utilisés pour remplir un globe avec un mélange utile. Des réservoirs de gaz, chacun avec son régulateur de pression et son raccord spécifiques, sont nécessaires: un pour chacun des gaz concernés.
Parmi les autres gaz rares , le radon est radioactif , l' hélium s'échappe à travers le verre relativement rapidement et le krypton est assez cher. D'autres gaz peuvent être utilisés, comme la vapeur de mercure . Les gaz moléculaires peuvent être dissociés par le plasma.
Histoire
Dans le brevet US 0 514 170 ("Incandescent Electric Light", 6 février 1894), Nikola Tesla décrit une lampe à plasma. Ce brevet concerne l'une des premières lampes à décharge à haute intensité. Tesla a utilisé un globe de lampe de type incandescent avec un seul élément conducteur interne et a excité l'élément avec des courants haute tension provenant d'une bobine de Tesla , créant ainsi l'émanation de décharge de brosse. Il a obtenu une protection par brevet sur une forme particulière de la lampe dans laquelle un petit corps lumineux ou un bouton en matériau réfractaire est soutenu par un conducteur entrant dans un globe ou un récepteur très épuisé. Tesla a appelé cette invention la lampe à borne unique ou, plus tard, le "tube à décharge de gaz inerte".
Le globe de plasma de style Groundstar a été créé par James Falk et commercialisé auprès des collectionneurs et des musées scientifiques dans les années 1970 et 1980. Jerry Pournelle en 1984 a fait l'éloge de l'Omnisphere d'Orb Corporation comme "l'objet le plus fabuleux du monde entier" et "magnifique ... un nouveau type d'objet d'art", déclarant "vous ne pouvez pas acheter le mien à n'importe quel prix".
La technologie nécessaire pour formuler les mélanges de gaz utilisés dans les sphères de plasma d'aujourd'hui n'était pas disponible pour Tesla. Les lampes modernes utilisent généralement des combinaisons de xénon , de krypton et de néon , bien que d'autres gaz puissent également être utilisés. Ces mélanges de gaz, ainsi que différentes formes de verre et l'électronique pilotée par circuit intégré, créent les couleurs vives, la gamme de mouvements et les motifs complexes observés dans les sphères de plasma d'aujourd'hui.
Applications
Les globes à plasma sont principalement utilisés comme curiosités ou jouets pour leurs effets d'éclairage uniques et les «trucs» qui peuvent être exécutés sur eux par les utilisateurs en déplaçant leurs mains autour d'eux. Ils peuvent également faire partie de l'équipement de laboratoire d'une école à des fins de démonstration. Ils ne sont généralement pas utilisés pour l'éclairage général. Cependant, ces dernières années, certains magasins de nouveauté ont commencé à vendre une veilleuse à lampe à plasma miniature qui peut être montée sur une douille standard.
Les globes plasma peuvent être utilisés pour expérimenter des tensions élevées. Si une plaque conductrice ou une bobine de fil est placée sur le globe, le couplage capacitif peut transférer suffisamment de tension à la plaque ou à la bobine pour produire un petit arc ou alimenter une charge haute tension . Cela est possible parce que le plasma à l'intérieur du globe et le conducteur à l'extérieur agissent comme des plaques d'un condensateur, avec le verre entre les deux comme un diélectrique. Un transformateur abaisseur connecté entre la plaque et l'électrode du globe peut produire une sortie de radiofréquence à plus basse tension et à courant plus élevé. Une mise à la terre minutieuse est essentielle pour éviter des blessures ou des dommages à l'équipement.
Dangers
Le fait de rapprocher des matériaux conducteurs ou des appareils électroniques d'un globe de plasma peut faire chauffer le verre. L'énergie radiofréquence haute tension qui leur est couplée depuis l'intérieur du globe peut provoquer un léger choc électrique pour la personne qui les touche, même à travers un boîtier de protection en verre. Le champ de radiofréquence produit par les lampes à plasma peut interférer avec le fonctionnement des tablettes tactiles utilisées sur les ordinateurs portables , les lecteurs audio numériques , les téléphones portables et autres appareils similaires. Certains types de globes à plasma peuvent émettre suffisamment d' interférences de radiofréquence (RFI) pour interférer avec les téléphones sans fil et les appareils Wi-Fi à plusieurs pieds ou quelques mètres de distance.
Si un conducteur électrique touche l'extérieur du globe, le couplage capacitif peut induire un potentiel suffisant pour produire un petit arc . Ceci est possible parce que le verre du globe agit comme un diélectrique de condensateur : l'intérieur de la lampe agit comme une plaque et l'objet conducteur à l'extérieur agit comme la plaque de condensateur opposée. Il s'agit d'une action dangereuse qui peut endommager le globe ou d'autres appareils électroniques et présente un risque d'incendie.
Voir également
- Fusor
- Liste des sources lumineuses
- Liste des articles sur le plasma (physique)
- Lampe à soufre
- Arc sous vide