Meer experimenten met een Plasma bol

Datum:  December 2013

Inleiding:

Na het lezen van het VWO examen dacht ik, dat proberen we ook.

Materiaal:

  • USB Plasmabol (met PC of USB voeding)
  • Aluminiumfolie
  • Multimeters (2)
  • Oscilloscoop
  • Liniaal
  • Koperdraad
  • Fototoestel
  • Weerstand: 47 kOhm

Uitvoering:

Bepalen van de frequentie
  • Met een hand raken we de buitenkant van de glazen bol aan en met de andere hand maken we  contact met de ingang van een oscilloscoop.
  • De tijdbasis van de oscilloscoop staat ingesteld op 20 μs per schaaldeel.
Bepalen van het vermogen
  • Plak een stukje aluminiumfolie op de buitenkant van de bol.
  • Aan dit aluminiumfolie bevestigen we en stukje koperdraad.
  • De koperdraad wordt via een weerstand van 47 kΩ verbonden met de aarde.
  • We gebruiken multimeter om de spanning en de stroomsterkte te meten, zoals weergegeven in onderstaande schema,
  • Stel de voltmeter in op het meten van wisselspanning.
  • Verbinding met de aarde is  gemaakt door een lange koperdraad te verbinden met de radiator.

Resultaten:

Bepalen van de frequentie
We tellen 5 pieken, we meten het frequentieverschil tussen de top van piek 1 en de top van piek 5: 200 μS

5 pieken is  4 volledige trillingen

Per trilling: 200/4 = 25 μS

f = 1 / T = 1 / ( 2.5 * 10-5 ) = 20000 Hz
                                        = 20 KHz
Scoopsignaal zonder aanraken van de plasmabol Scoopsignaal met aanraking van de plasmabol

 

Scoopsignaal plasmabol uit
Tijdens het  uitvoeren van dit experiment kunnen we een andere observatie doen.
 

1. Als de lamp uitstaat laat de scoop een platte basislijn zien.

2. Schakelen we de lamp in, zonder dat de meetelektrodes de lam aanraken dan kunnen we duidelijk een signaal zien dat nagenoeg hetzelfde is als het signaal dat we krijgen als we een elektrode de lamp laten aanraken.

3. Dit signaal verdwijnt als we de elektrode uit de scoop halen.

Bepalen van het vermogen
We meten op 2 manieren:

1. Met de koperdraad tegen het alufolie
 V = 39 V
 I = 0 A (?)

2. Met het koperdraad op een korte afstand van hat alufolie.
 V = 25.6 V
 I = -143 mA
   Signaal schommelt sterkt, en valt soms weg.

Koperdraad op lamp

Vonkoverslag

Koperdraad op alufolie

Het hele stuk alufolie licht op

 Koperdraad los van alufolie

Slechts een klein deel van de alufolie licht op

   

Discussie en conclusie:

Bepalen van de frequentie
De plasmabal is eigenlijk een grote condensator. In het centrum van de plasmabal is een kleine glazen bol waarin een bal van staalwol zit verbonden met een koperdraad (1 mm dik). Deze draad is verbonden met een oscillator op een hoog voltage en een hoge frequentie. Voor deze plasmabal een frequentie van 20 kHz. Het centrum van de plasmabol is eigenlijk een radioantenne die een wisselspanningsignaal uitstuurt, hetgeen we hebben laten zien tijdens onze oscilloscoop metingen.

Als je het oppervalk van de plasmabol aanraakt zal je vinger de elektrostatische potentiaal op dat punt op het oppervlak veranderen. De roodheid van je vinger wordt niet veroorzaakt door het plasma maar door de hemoglobine in je bloed dat fungeert als een kleurfilter.
Bepalen van het vermogen
Plastic is een goede elektrische isolator. De stroom die gemeten wordt tussen het aluminiumfolie en aarde kan dus niet veroorzaakt worden door elektronen die door het plastic gaan. In ondertaande figuur is een plasmadraad tussen de elektrode en de plastic bol getekend. Door de ionisatie van gas langs dat spoor ontstaat er een geleidende verbinding tussen de elektrode en de binnenkant van het plastic. Op een bepaald moment ontstaat op het plastic aan de binnenkant van de bol bij het aluminiumfolie een positieve lading. Op datzelfde moment loopt tussen het aluminiumfolie en aarde een stroom. Het aluminiumfolie zelf krijgt door elektrische influentie een negatieve lading. Er stromen dus elektronen van de aarde naar het aluminiumfolie. De stroom is dan gericht van het aluminiumfolie naar de aarde.

 

In de bol bevindt zich onder andere heliumgas. Door het gas bewegen elektronen die tegen heliumatomen kunnen botsen. Als de snelheid van een elektron groot genoeg is, kan bij een botsing een heliumatoom geļoniseerd worden. De vrije weglengte is de gemiddelde afstand die een elektron aflegt tussen twee opeenvolgende botsingen met atomen.

Helaas moeten we het vermogensbepaling experiment als mislukt beschouwen aangezien ik niet op een betrouwbare manier de stroomsterkte kan meten. Het is me niet echt duidelijk waarom ik geen stroomsterkte kan meten. Misschien dat mijn aarding onvoldoende is?
 
Benaderingsberekening om het aantal moleculen in de plasmabol te berekenen.
In het VWO examen vermeld men een gasdruk van 10% van de buitenlucht. Op het web kan men echter vinden dat deze gelijk is aan de buitendruk. Dit laatste beoordeel ik als geloofwaardiger omdat het intrinsiek veiliger is. Waarschijnlijk werkt de plasmabol wat beter bij lage druk, maar een drukverschil genereert ook hogere veiligheidseisen (implosierisico).

Aantal moleculen is :
(10^5 * 0.27/1000)/(8.314 * 292.15) * 6.02 * 10^23 = 6.6 * 10^21 moleculen,

Opmerkingen:

  • Om een aarde te maken kan men een koperdraad met de verwarming verbinden.
  • Een ander experimentje dat ik geprobeerd heb is om de spanning te meten als functie van de afstand tot de bol. Dat mislukte echter ook, de spanning die mijn scoopje mat veranderde als ik deze aanraakte wat de metingen onbetrouwbaar maakte.

Literatuur:

  • Nicholas R. Guilbert; 'Deconstructing a Plasma Globe'; The Physics Teacher; 1999; 37(1); p. 11-13.
  • Doug Cantor Ed.; "Popular Science - The Big Book of Hacks"; Weldon Owen; 2012; ISBN 9781616283995; p. 197, 198.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

 

Achtergrondinformatie:

In de plasmalamp is een bolvormige elektrode is geplaatst in het middelpunt van een afgesloten ruimte die gevuld is met inert gas (meestal een Helium/Neon mengsel, soms wordt ook krypton of xenon toegevoegd). Als het gas niet inert is zou het met het elektrodemateriaal reageren (geen zuurstof dus in deze kamer). Een ander voordeel van een inert gas is dat voor het ioniseren van inerte gassen een relatief laag voltage nodig. De ruimte is ook op een lagere druk dan de omgeving gebracht om dit ionisatieproces te vergemakkelijken. In een ruimte met een lage druk (1 - 100 Torr) is de vrije weglengte die een elektron kan afleggen alvorens in botsing te komen met een atoom of molecuul langer. Er moeten echter ook voldoende atomen/molekulen in de ruimte aanwezig om voldoende licht uit te kunnen stralen in de "plasma draden" die gevormd worden om zo zichtbaar te zijn. Deze draden vormen zich in plaats van een uniform verdeeld lichtverschijnsel omdat deze centrale elektrode niet uniform is. Hij is opgebouwd uit staalwol (dat bij blootstelling aan zuurstof zou gaan roesten, daarom gebruiken we een inert gas) en kleine onregelmatigheden op het oppervlak zullen lokaal een groot effect hebben op de sterkte van het elektrisch veld en dus de vorming van het plasma. Door de bolvormige symmetrie van de behuizing is er geen preferentiėle richting voor de draden om zich te vormen (die je wel hebt in gastontladingslampen). De kleur van de plasmadraden blauw-paars met rode uiteinden correspondeert met de verschillende excitatie toestanden van de gas atomen en zijn dus karakteristiek voor het gebruikte gas. Daarnaast bepaald de temperatuur van het plasma mede welke kleur licht men te zien krijgt.

De druk in de bol is voldoende hoog om ervoor te zorgen dat als plasma gegenereerd wordt het plasma ook heet wordt. Aangezien hete lucht omhoog stijgt zullen de plasmadraden ook de neiging hebben om langs de wand van de bol als het ware omhoog te kruipen. De geleidbaarheid in een heet plasmagebied is ook hoger hetgeen helpt om de plasma draad stabiel te houden totdat een instabiliteit de draad breekt.

De elektrode wordt op energie gebracht mbv een hoog-voltage, hoog-frequente voedingsbron (wisselspanning, geen gelijkspanning). Kijken we echter naar de lamp dan zien we dat deze gekoppeld is aan een 12 V gelijkstroom adapter, die in een 220 V wisselspanning stopcontact steekt. Deze 12 V gelijkstroom wordt daarom mbv een oscillator circuit omgezet in een hoog frequent voltage dat opgeschaald kan worden naar de gewenste waarde. De frequentie waarbij de plasmalamp opereert is in de grootteorde van 10tallen kHz, aangezien dit echter gepaard gaat met een lage stroomsterkte kan men de bol veilig aanraken. De hoogfrequente stroom beweegt zich alleen over de huid en gaat niet het lichaam binnen. De hoogfrequente stroom die stroomt van de elektrode naar de bolvormige behuizing (de aarde) is capacitief gekoppeld naar aan andere aarde als een geleider (bv een vinger) de buitenkant van de bol aanraakt. De impedantie ("weerstand") naar de aarde zal lager zijn door dit pad dan de normale koppeling met de aarde, met als gevolg dat zich een zeer heldere, min of meer stabiele, plasmadraad vormt van de elektrode naar het aanraakpunt.

Aangezien voedingsbron opereert op een hoge frequentie fungeert de plasmabol als het ware als een antenne en zal meer vermogen kunnen uitzenden bij zijn eigenfrequentie
 

12/11/2014