Inleiding:

De plasma lamp  is een lamp die in nagenoeg  elk wetenschapsmuseum en in  elke film waarin een laboratorium met gekke geleerde is verwerkt wel te zien is. Het is ook een mooie lamp om naar te kijken en toen ik laatst bij de Blokker en zag dat hij daar voor € 15 te koop was kon ik de verleiding niet weerstaan en heb ik er een gekocht. Als je er een gekocht hebt wil je uiteraard ook beter begrijpen hoe hij werkt en kijken of je er experimenten mee kunt uitvoeren.

• Plasmalamp
• Fluorescerende lamp (bv spaarlamp)
• IR webcam
• Aluminiumfolie
• Metalen voorwerp (schroevendraaier)

Beschrijving:

De plasma lamp is uitgevonden door Nikola Tesla die het de "Inert Gas Discharge Tube" noemde. Het is een van de mooiste manifestaties van plasma.

In de plasmalamp zijn elementen uit allerlei deelgebieden van de fysica verwerkt zoals plasmafysica, spectroscopie, elektronica, atoomstructuren, etc.

De eerste vraag die we moeten beantwoorden is wat plasma eigenlijk is. Bij kamertemperatuur zijn gassen in het algemeen goede isolatoren aangezien het aantal geladen deeltjes per volume eenheid zeer klein is. Men kan de concentratie van de geladen deeltjes opvoeren door het gas op de juiste manier met te bestralen (met energierijke elektromagnetische straling bv gammastraling) of door de temperatuur aanzienlijk te verhogen. Op deze manier wordt een deel der gasmoleculen in ionen en elektronen gesplitst. Het zo gevormde, tamelijk homogene mengsel van neutrale moleculen (die het grootste deel van de mix vormen), positieve ionen en elektronen noemt men plasma.

Atomen/molekulen veranderen in ionen als je een of meerdere elektronen ervanaf stript. Op deze manier houdt je dan de positief geladen rest, het ion, over. Om elektronen van de kern af te halen moet je er energie instoppen, dat kan in de vorm van warmte, zoals in de zon gebeurt, maar ook in de vorm van elektriciteit. Men spreekt dan ook van ionisatiepotentiaal die wordt uitgedrukt in electronVolt (eV). Voor gassen zoals stikstof, zuurstof, neon, etc is de eerste ionisatie potentiaal in de ordegrootte van 50 tot 150 eV. Het kan echter ook dat een elektron niet los komt van het atoom/molecuul maar in een hogere baan terechtkomt. Als het nu weer terugvalt naar een lagere baan zal het een foton uitzenden. Hierdoor ontstaan lichteffecten. 

Als nu een voldoende hoge potentiaal wordt aangebracht tussen twee elektrodes waartussen zich een inert gas bevindt zal een elektron zich naar de anode bewegen maar alvorens daar aangekomen te zijn naar alle waarschijnlijkheid met een gas atoom in botsing komen. Als deze botsing voldoende energie bevat kan het elektron het gasatoom ioniseren waardoor weer een elektron vrijkomt. Elk van deze elektronen kan vervolgens weer andere atomen waarmee ze in botsing komen ioniseren. Als het proces voortschrijdt neemt het aantal ionen en vrije elektronen binnen het gas exponentieel toe (sneeuwbaleffect) en wordt een plasma gevormd. Om plasma te maken moet de electrodepotentiaal minimaal de som van de eerste ionisatie potentiaal van het gas zijn plus de werkfunctie van het elektrode materiaal (het voltage benodigd om elektronen los te maken uit het elektrode materiaal). Daarnaast zal elk extra potentiaalverschil helpen om de plasma dichtheid te vergroten.

De plasmalamp is dusdanige manier gebouwd dat ionen geproduceerd kunnen worden. 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). 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 preferentiële 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 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.

YouTube link: Plasma lamp met IR webcam

Plasmalamp in het donker

Opmerkingen:

• Google zoektermen: Plasma Lamp, Plasma Globe, Inert Gas Discharge Tube, Plasma Spheres, Lightning Globes, Nebula Ball, Thunder Dome. 

• In principe kun je een plasma lamp zelf maken. Als je de Links bestudeert zul je regelmatig instructies vinden hoe een plasma lamp te bouwen. Dit is echter niet zonder gevaar omdat een stroom met een hoog Amperage opgewekt wordt hetgeen eisen stelt aan de isolatie van elektrische apparatuur die je gebruikt. Je kunt jezelf elektrocuteren. Oppassen dus.

Literatuur:

• Nicholas R. Guilbert; 'Deconstructing a Plasma Globe'; The Physics Teacher; 1999; 37(1); p. 11-13.

Relevante websites:

• PowerLabs Plasma Globes Page

• Wikipedia: Plasma lamp
• Wikipedia NL: Plasma (aggregatietoestand)
• Science Hobbyist: Plasma globes without glass or vacuum
• The Plasma Ball Page

Minder relevante websites

• IR licht zien met een omgebouwde webcam