Plazma za zníženého tlaku

Veľmi zaujímavý experiment s vytvorením plazmy v prostredí s nízkym tlakom. Použitá je klasická fľaša s ktorej bol odsatý vzduch s kompresorom z chladničky.

      Plazma za zníženého tlaku sa správa rozdielne, ako pri tlaku atmosférickom. Napätie potrebné pre ionizáciu plynu pri nízkom tlaku je výrazne nižšie, ako potrebné v plyne pri atmosférickom tlaku. Výboje sú preto pri rovnakom napätí v banke s nízkym tlakom podstatne dlhšie, ako pri atmosférickom tlaku a majú doutnavý (tlejivý) charakter. Ako nízkotlaková nádoba v mojom prípade je použitá fľaša od borovičky, pre jej úzky a vysoký tvar. Pre odsatie vzduchu slúži kompresor s chladničky zapojený naopak – sacou stranou. Nevytvorí príliš vysoké vákuum, ale aj tak sa s ním dajú robiť zaujímavé pokusy. Keďže reálne sa dá dovnútra fľaše spraviť len jedná elektróda cez hrdlo fľaše, tak je potrebné použiť vysokofrekvenčný zdroj VN, ktorý prechádza aj sklom – druhá elektróda je uzemnený plech na ktorom je položená fľaša. Ako zátka na fľašu je použitá gumená zátka na retiazke pre umývadla. Cez stred zátky som prevŕtal dieru 3,5mm vrtákom a nabil tam mosadznú rúrku (s modelárstva) o priemere 4mm + s oboch strán zalial lepidlom. Do hrdla fľaše, ako elektróda je použitý medený vodič prispájkovaný na mosadznú rúrku. Na fľaši pod zátkou je izolačka a potom aj zátka je ešte omotaná izolačkou pre lepšie tesnenie. Fľaša a kompresor sú prepojené hrubšou hadičkou pre CO2 s akvaristiky. Ako zdroj vysokého napätia slúži VN transformátor s čiernobielej TV (bez vnútornej diódy – pre VF napätie) o napätí 18kV napojený na push-pull budič s VCO 4046 o výkone stoviek W a frekvencii 22,5kHz. Dajú sa tú použiť pravdaže aj slabšie budiče pre VN transformátory. Slabý výboj vzniká aj bez jednej elektródy, teda fľaši položenej len na drevenom stole bez priameho uzemnenia. Alebo tiež zaujímavé pokusy sa s tým dajú robiť po priblížení fľaše do blízkosti SSTC, ako na fotkách nižšie. Vo fľaši vzniká výboj dlhý 24cm s elektródy až na dno fľaše.

      Na fotkách sú veci pre odsatie vzduchu, fľaša od borovičky, hadička pre CO2, zátka s umývadla, mosadzná trubka, kompresor s chladničky a nakoniec celé pracovisko na stole. Ventil na prvej fotke som nepoužil, takýto je v podstate aj nepoužiteľný a ani nie je v tomto prípade potrebný. Neskôr som tam ešte pripojil vákuometer pre meranie podtlaku.



      Na internete sa človek dočíta rôzne hodnoty podtlaku, aké až dokáže vytvoriť kompresor s chladničky. Buď to boli vysoké alebo nízke hodnoty, čiže tadeto cesta neviedla. Ostávalo len si to odmerať, aký tam mam reálne podtlak. Každý kompresor je iný, čiže nie každý dokáže vytvoriť rovnako veľký podtlak. V mojom prípade sa podtlak pohyboval okolo -0,82 až -0,84 bar čo je tlak 0,18 – 0,16 bar alebo inak 18 – 16 kPa (1bar = 100kPa). Napríklad v plazmových guliach od Číňanov sa tlak pohybuje v hodnotách 260Pa až 1kPa. Normálny tlak vzduchu (atmosférický tlak) je 101,325kPa.

      V mojom prípade pri tejto fľaši, kde vzdialenosť dna fľaše od elektródy vo vnútri hrdla je 24cm. Nastal plný 24cm výboj pri napätí 18kVpk a tlaku okolo 21kPa (-0,79bar). Kompresor dokázal tlak znížiť ešte na nejakých 18 16kPa.



Fotky plazmy vo fľaši

      Nakoniec fotky plazmy vo fľaši pri pripojení 18kVpk (22,5kHz) z VN transformátora z čb TV pri príkone okolo 400W. V spodnom rade fotiek je fľaša bez spodnej elektródy – uzemneného plechu, fľaša je len položená na drevenom stole. Na poslednej fotke vidieť plazmu nasávanú do hadičky. S oboma elektródami nejde plazma až takto ďaleko, ako len s jednom elektródou bez zeme. Hadička sa ohrieva a vlastnou váhou sa začne deformovať, ale znesie dosť veľa, hlavne ak sa neprehne až úplne. Pozor však na sklo, to sa pri výkonnom VN zdroji dosť zahrieva, nenechávať dlho zapnuté !



      Fotky po priblížení fľaše do blízkosti SSTC II pri malom výkone. Bezpečne môžem chytiť fľašu do rúk a prstami smerovať plazmu k prstom.



Videá



Veľká fľaša od uhoriek

5.1.2017
      Pokračujeme ďalej v experimentoch s vákuom. Teraz som si našiel už poriadne veľkú fľašu resp. sklo od uhoriek. Aj keď ma kovové pochybné viečko, zistil som, že sa dá lepšie utesniť a šiel som ešte nižšie s podtlakom. Opäť vrstva izolačky pod viečkom na skle a potom aj cez viečko pre lepšiu tesnosť. Na kraji viečka je mosadzná 4mm trubka zaliata tavným lepidlom pre odsatie vzduchu kompresorom. V strede je visiaca elektróda. Najprv som mal mosadznú trubku zároveň aj ako elektródu no to bolo dosť nešťastné riešenie. Neskôr som dal trubku pre odsávanie vedľa a do stredu prispájkoval elektródu, no tu bol tiež problém s tavením cínu a elektróda spadla dole. Nakoniec som problém vyriešil zavesením elektródy na ďalší drôt, ktorý je prispájkovaný po krajoch viečka. Na fotkách dole je všetko pofotene + porovnanie novej a už spálenej elektródy. Hadičky používam stále rovnaké pre CO2 s akvaristiky. Sú veľmi pevné – ani pri veľkom podtlaku sa vôbec nepučia. Jedine ak sa začne nasávať plazma do hadičky, tak pravdaže vplyvom tepla sa začne prebárať, ale aj to znesie celkom dosť.

      VN zdroj používam stále rovnaký (push-pull 4046), avšak vymenený bol VN transformátor za výkonnejší a na vyššie napätie. Teraz viem ísť do 23kV, čo pri predošlom som mohol ísť len do 18kV + vďaka obrovskému feritovému jadru sa vôbec transformátor nehreje ani pri príkone 840W. Aký presne príkon som mal pri tejto fľaši a experimentoch som ani presne nemeral, ale sú to stovky W. Frekvencia VN zdroja je 22kHz.



      Ako už som spomínal vyššie, pri tejto fľaši sa mi podarilo spraviť vyšší podtlak. Na vákuometri vidieť podtlak -0,92bar čo je inak, tlak 8kPa vo fľaši. Na druhej fotke vidieť, ako sa už prehýba viečko do vnútra fľaše. Ani po niekoľkých dňoch experimentovania nebol žiadny problém s veľkým podtlakom vo fľaši. Pozor však treba dávať na bodové prehriatie skla od výboja !



      Čo je veľmi zaujímavé, tak nie je jedno, ako sa pripoja elektródy fľaše na VN zdroj aj keď je to vysokofrekvenčný striedavý. Ak sa pripojí živý koniec VN transformátora na elektródu vo vnútri fľaše a spodný plech pod fľašou sa uzemní na PE, tak vzniká súvislý výboj – súvislá plazma. Ale ak pripojíme živý koniec VN transformátora na plech pod fľašou a elektróda vo fľaši je uzemnená na PE, tak vzniká veľmi zaujímavý prerušený výboj či prerušovaný až na viac miestach – resp. prerušovaná plazma. Plazma buď lieta po skle alebo pri správne nastavenom napätí ju viem udržať stabilne na jednom mieste. Zrejme sa pri tomto zapojení elektród nejakým spôsobom dostáva DC zložka do výboja. No ak to bude vedieť niekto lepšie vysvetliť budem veľmi rád. Update (4.2.2018) – rozpísaná teória okolo tohto javu dole v článku !



      Ešte fotky detailu na visiacu elektródu vo vnútri fľaše, ktorá je uzemnená na kolík PE. Všimnite si, ako výboj začína až ďalej od elektródy.



Magnety

      To však stále nie je všetko. Dostal som nápad s magnetmi, tak som rozobral 2 magnetróny pre získanie štyroch silných magnetov + mal som jeden veľký z reproduktora a nejaké malé kúsky neodymových magnetov z HDD. Dokážem magnetom z vonku ovplyvňovať výboj, posúvať a deformovať. Taktiež, čo je veľmi zaujímavé, tak za určitých okolností viem s magnetom posúvať v určitom rozsahu hore a dole dieru v plazme. Neskôr som dal dnu do fľaše veľký magnet z reproduktora a tu je výsledok na fotkách + na videu nižšie, ktoré určite odporúčam si pozrieť celé. Video dole povie najviac, ako text a fotky. Tiež plazma vo fľaši je stabilnejšia resp. dokážem ju dlhšie udržať stabilne v jednej polohe. Magnet vo fľaši je na dvoch keramických krúžkoch.



Plazmový "oblak"

      Potom nasledujúce fotky s plazmovým oblakom tesne nad magnetom a nad sklom sú veľmi zaujímavé. Na toto magnet vplyv nemá, spravím to aj bez magnetu. Za určitých okolností po naskočení oblúka a potom po zhasnutí a opätovnom pridávaní napätia sa začne vytvárať takýto plazmový mrak tesne nad magnetom alebo tesne nad sklom. Voľným okom som si to najprv však nevšimol až neskôr som spozoroval, že niečo sa tam deje. Okom to je vidieť niekedy aj dajme tomu celkom dobre, ale chce to úplne zatemnenie miestnosti. Fotky som fotil na veľmi dlhé expozície so svetelným 35mm objektívom. Konkrétne napríklad prvá a posledná fotka pri 6s a druhá na 5s pri ISO-800 a s clonou f/2.



Nakoniec ešte niekoľko fotiek pri rôzne nastavenom napätí a dĺžky expozície



Videá

 


Štruktúra nízkotlakového výboja v plynoch

4.2.2018
      Ak je plynová nízkotlaková trubica (v mojom prípade sklo od uhoriek) pripojená k vysokonapäťovému DC zdroju alebo k asymetrickému (polarizovanému) zdroju striedavého napätia (ako je napr. indukčná cievka), budú sa vytvárať v stĺpci plazmy rôzne štruktúry a diery v závislosti od tlaku plynu, dĺžky trubice, teda stĺpca plazmy a prevádzkového prúdu. Opäť v mojom prípade je to síce symetrický dvojčinný VN VF zdroj o napätí 23kVp a 22kHz, no práve spomínanú asymetriu som vytvoril danými elektródami, kedy živý koniec VN transformátora som pripojil na plech pod sklom a uzemnená bola malá elektróda vo vnútri fľaše. Keďže je to VF prúd, tak prechádza aj cez sklo. Jednosmerný VN zdroj v mojom prípade nejde použiť, pretože chýba mi druhá vnútorná elektróda na opačnej strane skla a cez sklo DC prúd neprejde.

      (Pozn.: rovnaký jav asymetrie som docielil aj pri 50Hz napätí z PTN, kedy som skúšal plazivé čiastkové výboje na veľkom skle s malou a veľkou elektródou – vznikala kvázi-statika od ktorej sa mi lepili napr. aj tepláky na nohy, ako pri kaskádnom násobiči z TV)

      Nie všetky javy v plazmovom stĺpci budú nevyhnutne viditeľné v každom okamihu. Ale v dlhých trubiciach, kde je zvyčajne nízky tlak (asi 1% atmosférického alebo aj menší), do ktorej je púšťaná primeraná veľkosť prúdu, bude vzhľad plazmy vyzerať približne ako je znázornené na obrázku dole. Farba plazmy je závislá od typu plynu alebo zmesi plynov. V niektorých plynoch, ako je napríklad neón sú negatívna žiara, zlúčený pozitívny stĺpec a faradayou temný priestor nejasné a sú akoby spojené.


      Štruktúra sa dá pochopiť na základe toho, že prúd elektrónov prúdi smerom k anóde a prúd pozitívnych iónov migrujú smerom ku katóde. Excitácia molekúl plynu na energetické stavy z ktorých je vyžarované svetlo po spadnutí do základného stavu, závisí od kolízie s iónmi a elektrónmi. Tieto nabité častice si vyžadujú určitú dobu akcelerácie v elektrickom poly predtým, než majú dostatočnú energiu na vyvolanie kolízie a excitácie. Aj výroba elektrónov prebieha vo vlnách začínajúc na katóde v dôsledku iónového bombardovania s následnou sekundárnou produkciou elektrónov v plynovom stĺpci a dokonca aj pri anóde v dôsledku zrážok. Z toho vyplývajú rôzne svetlé a tmavé pásy.

Javy v trubici môžu byť rozdelené do dvoch odlišných skupín

      Katódová žiara, negatívna žiara a Crookes + Faradayou temný priestor patria ku katóde. Sú silne ovplyvnené tlakom, ale výrazne nezávisia na dĺžke trubice. Crookes temný priestor sa stáva dlhším, keď sa tlak plynu znižuje a dochádza k vyplneniu celej trubice týmto priestorom po odstránení aj posledného zvyšku plynu v trubici. Faradayou temný priestor je ovplyvnený priemerom trubice. Nikdy nie je úplne tmavý (rozptýlená žiara) a niekedy sa nezobrazí. V mojom prípade Faradayou temný priestor vidieť krásne pre veľmi veľký priemer skla od zaváraných uhoriek.

      Pozitívny stĺpec, tiež známy ako “plazma” sa predlžuje zväčšením dĺžky trubice. Tu vznikajú resp. môžu vznikať a byť viditeľné aj tzv. “striations” – striácie resp. pruhy, diery v plazme. Elektróny sa absorbujú v procese ionizácie a prenášajú energiu na molekuly plynu a novo vytvorené sekundárne elektróny vyžadujú zrýchlenie pred tým, než môžu spôsobiť ionizáciu. Vzdialenosť a interval medzi jednotlivými striáciami či dierami závisí od tlaku a viditeľný efekt je často nejasný. Strácie môžu byť ako statické, tak môžu sa aj pohybovať oboma smermi, či dokonca ich vieme ovplyvňovať rukou – ich smer alebo aj zastaviť. Krásny príklad vytvorených pohybujúcich sa strácií je na videu nižšie pri veľkej neónovej trubici z návestidla pre lietadlá s označením Tesla NE 150/19, 100W. Použitý VN zdroj je regulovateľný 22,5kVp pri frekvencií 25,4kHz. Pri tretej fotke je neónová trubica napojená na 300W NST (Neon sign transformer) a na poslednej s ňou stojím pri Teslovom transformátore (SSTC II).

 


Pozri tiež:
Plazmové fľaše – atmosférický tlak

News on the website

Popular articles