COMO FUNCIONA:
LA ESFERA DE PLASMA
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José Luis Giordano
Octubre 26, 2007 (Última modificación: Noviembre 20, 2007)



1-QUÉ ES

El plasma es un estado de la materia en el cual ésta se encuentra fuertemente ionizada, es decir, con gran cantidad de "iones" (átomos eléctricamente no neutros). En general se compone de iones positivos o "cationes" (átomos que han perdido uno o más electrones), electrones "sueltos" y "aniones", que son iones negativos (átomos a los que se les ha ligado algún electrón), y también el plasma se compone de átomos eléctricamente neutros pero "excitados" (donde algunos de sus electrones están en estados de mayor energía que la mínima), que se desexcitan (decaen) emitiendo radiación electromagnética característica visible o bien, invisible como ultravioleta (UV) y/o infrarroja (IR).

El fenómeno por el cual los átomos excitados de una substancia (que decaen sucesivamente con distintas radiaciones electromagnéticas), emiten luz visible, se denomina luminiscencia.

También es conocida como "luz fría", para distinguirla de otra forma de iluminación que se produce según principios físicos diferentes: la irradiada por la agitación térmica de los iones de la red de átomos del material, debida a la alta temperatura de los filamentos incandescentes, cuyo espectro viene dado por la Ley de Radiación de Planck.

La luz del pigmento de las luciérnagas y los colores del plasma de las auroras boreales son dos ejemplos naturales de luz fría.

La esfera de plasma comercializada con nombres como "bola relámpago", "lámpara fiesta" o "Party Plasma Ball" como la que se muestra en la Fig. 1, es una ingeniosa lámpara luminiscente popularizada desde los años 80´s, que consta de un recipiente transparente en cuyo interior se producen constantemente descargas eléctricas ("rayos") de ciertos colores. La materia que compone estos rayos es un plasma luminiscente.


Figura 1: Party Plasma Ball (Diámetro: 6"; Precio en Chile: USD 19, Sept. 2007).

En la foto el aparato está encendido, pero debido a la luz exterior, no se aprecian bien las descargas luminosas. Al disminuir la iluminación (Figs. 2a y 2b), se pueden ver rayos entre la parte central (esférica, de unos 2.5 cm de diámetro) y la exterior (también esférica, de unos 15 cm de diámetro). En el instante inicial (Fig. 2a) los rayos intensos solo se forman en la semiesfera inferior, mientras que en la parte superior van apareciendo algunos más tenues.


Figura 2a: La misma bola de la Fig. 1 pero con poca iluminación exterior, en el primer segundo de ser encendida.

En la foto siguiente (Fig. 2b), a los pocos segundos de haber sido encendida, la esfera ya se encuentra "llena" de rayos.


Figura 2b: La esfera de la foto anterior, 2 ó 3 s después.

La foto siguiente (Fig. 2c), muestra de cerca la parte inferior, donde rayos de color naranja parecen "caer" en el agujero central.


Figura 2c: Parte inferior del recipiente lleno de rayos.

También existen modelos más pequeños (Mini Plasma Ball, 3.5" de diámetro), versiones con conector USB para alimentar con un computador, otros más grandes (como los exhibidos en los museos de ciencia), y otros no esféricos. Son versiones decorativas del tubo de descarga en gas inerte inventado por el serbio Nikola Tesla (1856-1943) cerca de 1894.

La siguiente fotografía (Fig. 3) muestra de cerca la esfera central de donde parecen salir los rayos.


Figura 3: Vista cercana de la parte central.

Las siguientes fotos (Figs. 4a, 4b, 5 y 6) muestran lo que sucede al tocar la superficie.


Figura 4a: Efecto de colocar la mano en la parte superior.



Figura 4b: Foto más cercana de la parte central en las condiciones de la foto anterior.

A continuación (Fig. 5), se muestra que también se forman rayos entre los dedos que tocan la superficie.


Figura 5: Efecto de colocar varios puntos de contacto cercanos.

La siguiente foto (Fig. 6) muestra que al colocar la mano en un costado, los rayos se han concentrado en dos rayos hacia ella, quedando otros dos en el lado opuesto. Estas descargas se inciaron más o menos en dirección "horizontal", y comenzaron a ascender. Generalmente se observan curvarse ascendiendo más pronunciadamente la parte central de rayo. El ascenso ha quedado registrado, observándose "estelas" en vez de rayos, debido al movimiento de estos durante la exposición fotográfica a baja velocidad.


Figura 6: Efecto de colocar la mano en un costado.


Las siguiente foto (Fig. 7) muestra un rayo concentrado hacia un objeto metálico (arriba a la izquierda), tomado con la mano y con cuyo extremo se está tocando la superficie exterior de la esfera.


Figura 7: Efecto del contacto (a la izquierda) con el extremo de un objeto metálico.

A continuación vamos a empezar a revelar el truco que hacen algunos "magos": ¿Qué sucede cuando acercamos un tubo o una ampolleta fluorescente? (Fig. 8)


Figura 8: Una ampolleta fluorescente se acerca a la esfera de plasma.

Para convencernos de lo que ven nuestros ojos, apagamos la luz y ... efectivamente la ampolleta se ha encendido !!! (Fig. 9). Qué fenómeno tan hermoso y notable !!!


Figura 9: La misma situación de la foto anterior (Fig. 8), pero con poca iluminación.

Además de no haber usado cables para conectarla, en este caso llama la atención que se ilumine porque se trata de una ampolleta que ya no funciona, de las denominas "de ahorro de energía", un tipo de malísima calidad y alto precio que a los pocos meses de funcionamiento, no sirve más porque tiene los electrodos vaporizados (como se ve en los extremos obscurecidos).

Después de haber "jugado" un poco con la esfera de plasma, se pueden resumir las principales observaciones:

(1) Al encender la bola, inicialmente aparecen pocos rayos intensos, y aparecen en la parte inferior. En la parte superior se ven rayos muy tenues, pero en un lapso de unos segundos (5-10 s), empiezan a aparecer más y más rayos, llegando al estado habitual de funcionamiento donde el recipiente se llena con unas 30 a 40 descargas.

(2) La esfera se puede ver llena de rayos sin esperar los 5s, si se enciende, apaga y vuelve a encender rápidamente.

(3) Cuando no se toca la esfera, todos los rayos están entre las dos superficies internas, la parte central y la esfera mayor (Figs. 2).

(4) Los rayos emiten luz azul y se abren en los extremos con un color naranja-rojizo característico (Figs. 2). El color no cambia gradualmente. Hay solo dos colores, bien definidos, y cambian en un punto bien determinado del rayo, a casi un centímetro (en esta lámpara) de la esfera exterior.

(5) Los rayos son inestables, se desplazan, ascienden, desaparecen, vuelven a formarse y algunos se abren en dos antes de llegar a la superficie mayor. En general, las divisiones de rayos se producen cerca de la esfera mayor, justo antes de cambiar de azul al naranja. Los rayos que aparecen divididos aproximadamente en la mitad (Fig. 2b), suelen ser dos rayos que colapsaron en uno, que durante un breve instante están en este estado intermedio donde conservan un extremo de los dos originales.

(6) Algunos rayos que se dirigen hacia la parte inferior, parecen "caer" en el agujero interior, de unos 4 cm de diámetro (Fig. 2c).

(7) El extremo de cada rayo que llega a la parte central con el color naranja, está rodeado de un círculo obscuro y a su vez, este círculo está rodeado del color naranja. Esta zona de color está separada de las zonas de color de otros rayos, por fronteras obscuras (Fig. 3).

(7) Cuando se acerca la mano hasta casi tocar (o hasta tocar) la superficie, los rayos se concentran (i.e., los más próximos desaparecen y se forma 1 ó 2 más intensos), y pueden quedar algunos rayos alejados, en la zona opuesta (Figs. 4-6).

(9) Los rayos concentrados "siguen" la mano y se abren hacia ella, tornando la superficie de proximidad (o de contacto) del color naranja (Figs. 4-6).

(10) Los rayos verticales que se forman en la parte superior cuando está la mano, son bastante estables, mientras que todos los rayos que tienen alguna componente horizontal, ascienden (Figs. 4-6).

(11) Tocando la superficie en varios puntos al mismo tiempo, por ej. con los dedos de la mano separados, pueden observarse rayos azules entre los dedos. Son rayos que no van hacia la superficie interior, sino que están sobre ella (Fig. 5).

(12) El contacto o proximidad de un objeto metálico, tiene un efecto similar al de hacerlo con la mano. En particular, en los rayos intensificados aumenta la longitud azulada, mientras que el extremo naranja es más corto y se extiende en un área mayor, dependiendo de la punta del objeto o dedo.

(13) Solo por proximidad a la esfera de plasma, se encienden tubos y ampolletas fluorescentes (Figs. 8-9).

(14) Muy cerca de la base de esfera de plasma que ha funcionado cierto tiempo, se percibe el típico olor de aparatos eléctricos con alto voltaje.


2-PARA QUÉ SIRVE

Estos aparatos de descarga gaseosa se han comercializado como objetos decorativos modernos y originales, incluso usados en películas de cine. También se usan en propagandas de ciertos productos que se colocan entre las descargas.

En los museos de ciencia y en mano de profesores, en general estos aparatos también sirven como motivación científico-tecnológica, observando y estudiando el comportamiento de gases sometidos a alto voltaje de alta frecuencia, donde se pueden ver algunos fenómenos físicos como la conducción en gases, formación de plasma, luminiscencia, ruptura dieléctrica, y acoplamiento capacitivo.

También sirve para "pinchar" a algún desprevenido, con una pequeña descarga eléctrica que incluso puede llegar a producir olor a piel quemada.


3-DE QUÉ ESTÁ HECHO

La esfera de plasma es un aparato de alto voltaje y de alta frecuencia, y por lo tanto, "puede sentirse alguna descarga" a través de la esfera de vidrio. Aunque en general es inofensiva, como con todos los aparatos eléctricos, hay que tener mucho cuidado en su uso, y no hay que desarmarla. Este artículo no debe ser usado para dar coraje a personas que no trabajen con electricidad. La habilidad de trabajar con aparatos eléctricos debe adquirirse a través de estudio sistemático y realización gradual de prácticas de taller y laboratorio.

La siguiente foto (Fig. 11), muestra tres partes que se pueden separar fácilmente:

(A) a la izquierda, el recipiente de vidrio sellado, con una mezcla de gases en el interior, y con el soporte de plástico negro exterior,

(B) a la derecha, la base plástica con el circuito electrónico donde se ve uno de los extremos del bobinado secundario del transformador de alto voltaje (cable con aislante rojo, con la punta "pelada", para que el conductor se introduzca en la esfera central),


Figura 11: Esfera de plasma desarmada.

(C) detrás del cable rojo, el tubo plástico negro que se usa solo con fines estéticos, para cubrir el cable rojo hasta dentro de la esfera central.

Finalmente, las restantes partes (que no se muestran en ninguna foto)

(D) 4 tornillos de la base y la fuente de alimentación exterior (que es un convertidor típico de 220Vrms a 12 Vdc/0.5A).

El recipiente de vidrio que contiene los gases no es totalmente esférico, sino que tiene una "entrada" cilíndrica de unos 6 cm de longitud, terminada en esfera para formar la cavidad central (de unos 2.5 cm de diámetro) donde está el electrodo (central y visible) de alto voltaje. Esta esfera central tiene una separación de unos 6 cm del vidrio exterior, en cuyo interior se encuentra una mezcla de 2 ó 3 gases como nitrógeno, xenón, kriptón, argón y/o neón, a una presión que puede llegar a ser 10 ó más veces inferior que la atmosférica.

En la siguiente foto (Fig. 12), se ve el electrodo central, de vidrio con pintura conductora y relleno con una "viruta" metálica (del tipo que se vende para limpiar ollas de cocina). La pintura y la viruta que están en el centro de la bola, en realidad son exteriores al recipiente de vidrio que contiene la mezcla de gases en el interior.


Figura 12: Vista cercana de la esfera central.

La parte inferior del recipiente de vidrio se muestra desde abajo en la siguiente foto (Fig. 13). En ella se ve claramente la viruta metálica, y en el borde a la derecha, se ve donde se ha cerrado el vidrio cuando se evacuó el aire y se introdujo la mezcla gaseosa. En la cavidad cilíndrica se introduce el tubo de plástico negro, y dentro de él, en la cavidad esférica con viruta, se intruduce el extremo del cable de alto voltaje con aislante rojo. De este modo, la "punta pelada" queda en contacto con la viruta metálica, la cual a su vez está en contacto con la pintura conductora de la esfera central.


Figura 13: Vista del recipiente desde abajo.

La parte inferior del recipiente de vidrio se encuentra en contacto con el soporte de plástico negro. El otro electrodo de alto voltaje, es justamente este "contacto circular" entre el borde inferior del recipiente de vidrio y el soporte plástico (que a través de la base cuadrada está en "contacto" con el bobinado secundario del transformador).

Por último, se muestra la placa del circuito electrónico (Fig. 14) que tiene la función de someter al gas a alto voltaje (algunos kilovolt) a alta frecuencia (decenas de kilohertz), con un consumo nominal de 4 W. Además de un diodo de silicio, condensadores y resistencias, pueden distinguirse

(1) en la parte de arriba de la Fig. 14, el conector de la fuente de alimentación exterior;

(2) a la izquierda, el transformador con los dos extremos de alto voltaje: el cable del aislante rojo (que se conecta al electrodo principal), separado de todos los demás componentes del circuito, y la base de plástico negro, que conecta con el electrodo secundario en la parte inferior de la esfera de vidrio con gas;

(3) arriba a la derecha, el circuito integrado 4069, de 6 inversores digitales CMOS, para implementar el oscilador astable de alta frecuencia;


Figura 14: Placa del circuito donde se ven claramente todos los componentes.

(4) en el centro a la derecha, un micrófono cerámico con un transistor NPN BC547B, funcionando como preamplificador de sonido para el "modo audio" en el que la esfera se enciende cuando el micrófono capta sonidos fuertes (golpes, música, etc.);

(5) a la derecha, el conmutador de tres posiciones: "1-Apagado", "2-Encendido" y "3-Modo audio";

(6) abajo a la derecha, un transistor NPN D´Arlington TIP122 con disipador de calor, para excitar con corriente el primario del transformador elevador de voltaje.



4-CÓMO FUNCIONA

En la esfera de plasma se observan fenómenos eléctricos y luminosos que se producen por conducción eléctrica en gases. Las descargas gaseosas también son el principal principio de funcionamiento de aparatos como las pantallas de plasma, tubos y ampolletas fluorescentes, ampolletas de neón, sodio y mercurio, y letreros luminosos.

La esfera de plasma tiene una mezcla de gases a presión menor que la atmosférica (p < 1 atm) sometidos a un alto voltaje alterno (AC). Por lo tanto, al encenderla comienzan diversos fenómenos de conducción en gases: el campo eléctrico E acelera los iones residuales (que siempre existen). En su camino chocan con átomos neutros del gas, ionizándolos y excitándolos. Esto produce más portadores de carga que a su vez, se aceleran y chocan ionizando y excitando más átomos. Así se produce una verdadera "avalancha" de descargas que alcanza la condición de "ruptura eléctrica", produciendo fenómenos de luminiscencia de color naranja cerca de los electrodos, y en "rayos" azules que cruzan el interior de la esfera.

Además de las características observadas que se enumeran al principio, un aspecto sorprendente es que los rayos se produzcan entre materiales que son "aislantes eléctricos" (como el vidrio y el plástico). La clave de esto, es el voltaje de alta frecuencia al que está sometido el gas. En estas condiciones no son necesarios los electrodos en contacto directo con el gas. La conducción a través de materiales como vidrio y plástico que son eléctricamente polarizables ("dieléctricos"), es posible debido a la baja reactancia que ofrecen a la alta frecuencia. En la esfera de plasma, el alto voltaje se aplica a través del vidrio del recipiente y del plástico de la base.

Para ver a qué frecuencia trabaja esta esfera, la hemos puesto encendida a unos 6 cm de una bobina de 1434 espiras, con radio interior y exterior de 3.1 y 4.2 cm respectivamente. Esta bobina está conectada a un osciloscopio y a un frecuencímetro (Fig. 15). En la pantalla se ven 5 períodos de unos 3 V de amplitud, que ocupan 9.1 DIV en la escala de 20 ms/DIV, es decir, 27.5 kHz. Y en el frecuencímetro se lee "27.8745 kHz". Es decir, ambos instrumentos indican claramente que funciona a una frecuencia cercana a los 28 kHz. Con estas observaciones y los datos de la bobina, usando relaciones de Electromagnetismo se puede ver que el orden de magnitud de la intensidad del campo magnético generado a 6 cm de la esfera es unas 100 veces menor que el terrestre, y que el campo eléctrico tiene una intensidad unas 3500 veces menor que la necesaria para producir chispas en el aire.


Figura 15: Esfera de plasma funcionando cerca de una bobina conectada a un osciloscopio y a un frecuencímetro.

A continuación se comentan las condiciones en las que se producen estas descargas AC, de alto voltaje y alta frecuencia.

La conducción en gases y los fenómenos luminosos asociados, son posibles con voltajes menores y con electrodos más alejados si la presión es baja (mucho menor que la atmosférica). Esto se debe a que las cargas "sueltas" en el gas tienen más espacio para acelerarse y chocar, por lo tanto, con mayor energía. Si la separación entre electrodos es d, se puede demostrar que la probabilidad de ionizar por choque es proporcional al cociente V/(pd) entre el voltaje aplicado V y el producto pd de la presión p del gas por la separación interelectródica d.

A voltajes relativamente bajos hay colisiones de electrones con átomos neutros, pero a voltajes mayores empiezan a generarse iones y átomos más excitados, los que a su vez generan más ionización en el gas. Esto se conoce como procesos secundarios de ionización y el valor crítico del cociente V/(pd) a partir del cual comienzan los mecanismos secundarios, depende del gas, forma, tamaño y tipo de electrodos. Expresando V en volt (V), la presión p del gas en milímetro de mercurio (mm-Hg), y la distancia entre electrodos d en centímetro (cm), la ionización secundaria empieza aproximadamente a, por ejemplo para el aire, hidrógeno, argón y helio (respectivamente):

V/(pd) = 20 (para el aire), 10 (para H2), 5 (para Ar), y 2 (para Ne) V/(mm-Hg cm).

Esto significa que, por ejemplo, para el aire seco a 1 atmósfera de presión (1 atm = 760 mm-Hg), la ionización secundaria se alcanza con un campo eléctrico de unos 15.2 kV/cm (= 760 mm-Hg x 20 V/(mm-Hg cm) ). Este valor es casi la mitad de los 3 kV/mm con los que se produce una chispa (azul), hecho bien conocido por los que trabajan con alta tensión.

Los ejemplos anteriores también muestran que, por ejemplo, para que comiencen las avalanchas con el neón solo se necesitan potenciales 10 veces menores que con aire, o bien, con distancias entre electrodos o con presiones 10 veces mayores que en el aire (Esa es una de las razones por las que se utiliza el neón en muchas lámparas y aparatos, como en las esferas de plasma).

El voltaje a partir del cual el gas autosostiene la descarga, se denomina "voltaje de ruptura" VB. El voltaje de ruptura es una función F del producto de la presión por la separación entre electrodos:

VB = F(pd)

que se conoce como "Ley de Paschen". El mínimo de la curva de F vs. pd determina el mínimo voltaje que se puede usar para que una vez encendida, la descarga se mantenga sola.

Un detalle importante es que, aunque para una dada separación d se puedan usar voltajes V menores disminuyendo la presión p, en aparatos de decoración (que pueden no recibir el trato cuidadoso que se da en los laboratorios), por precio y por seguridad es conveniente que los recipientes no tengan una presión muy diferente a la atmosférica. Por lo tanto, en el diseño de las esferas de plasma, se utiliza una presión menor (pero no mucho menor). Como ya se explicó, esto no facilita la conducción en los gases, pero los fabricantes lo compensan (usando la Ley de Paschen) con mayor voltaje y utilizando gases de menor voltaje de ruptura.

La elección del color de las descargas, también es un factor de diseño importante. Se prefieren gases excitables con voltajes menores, y que además se desexciten con radiación visible (luminiscentes), como los gases nobles. Los más comunes son neón, argón y xenón. Las puntas naranja de los rayos corresponden al neón, mientras que los rayos azules a los otros.

Si no hay ningún acercamiento de objetos conductores, las cargas que atraviesan el gas se deslizan en la superficie interior de la esfera de vidrio, entre uno y otro electrodo. Cuando se concentran, excitan átomos y producen luz, pero sino, lo hacen sin ser vistas. Justamente en la Fig. 2c se ven "lenguas" de luz naranja deslizando hacia y desde el electrodo inferior. Esto es una evidencia de que las cargas se deslizan en el interior, y también de que el otro electrodo está dentro del agujero inferior. Otra evidencia de que ese electrodo que no se ve está allí, es que en el primer instante que se enciende la esfera (después de al menos 20 min de estar apagada), los rayos se forman inicialmente hacia abajo, ocupando solo la mitad inferior de la esfera (Fig. 2a).

El efecto del acercamiento o contacto con metales o con la mano, se debe al "acoplamiento capacitivo" que se produce debido a la alta frecuencia y debido a que el cuerpo humano es conductor (No es "buen conductor", pero a voltajes tan altos, deja pasar corrientes del orden del microampere). Esto induce cargas en la zona de acercamiento, como si se conectara un condensador entre "tierra" y la zona de contacto. Por eso aumenta la corriente de alta frecuencia hacia el objeto que se acerque a la esfera. Este acoplamiento capacitivo se manifiesta en una mayor concentración de rayos, y con mayor energía para ionizar. Por eso se excitan niveles de mayor separación energética en átomos de gases como el argón o el xenón, y el extremo con luminiscencia naranja se torna azul cuando se acerca la mano (es decir, la zona azul se prolonga).

Inicialmente, en los primeros instantes de encendida la esfera (después de estar apagada unos 20 min o más), hay menos cargas libres. Pero en unos segundos el gas de la esfera se encuentra ionizado y se llena de rayos. Al apagarla, los iones residuales permanecen en el interior (ya que el medio no es conductor), y por eso, al volver a encenderla pocos minutos después, aparece llena de rayos.

Para volverla a ver empezar con pocos rayos y en la parte inferior (Fig. 2a), hay que esperar que se descargue (unos 20 min ó más), ya que los iones se van recombinando lentamente. Un experimento que llama la atención es que si uno la enciende y apaga enseguida (antes que se llene de rayos), al volverla a encender aparece con rayos por todas partes (a pesar de no haber esperado los 5-10 s que tarda en llenarse al principio). Esto sucede porque al principio se ionizó el gas entre los electrodos (parte inferior), y al apagarla dejan de fluir entre los electrodos, y se quedan dentro. Como los iones tienen la misma polaridad, casi en forma instantánea se separan por repulsión electrostática más o menos uniformemente por todo el interior (gas y superficie). Por eso al encenderla, aunque haya estado encendida solo una fracción de segundo, aparece llena de rayos.

La inestabilidad de los rayos ascendentes con componentes horizontales se debe a que el plasma se calienta (debido a la agitación térmica por las colisiones contra los átomos del gas). Esto hace que el gas tenga menos densidad (por estar más caliente). A su vez, un gas a menor presión permite que las cargas se aceleren más, por tener colisiones a mayor distancia. Esto hace que haya mayor ionización y que por lo tanto, el gas más caliente dentro de la esfera sea mejor conductor. Por eso los rayos se ven ascender, yendo por trayectorias donde la conducción es más favorecida. Y por eso los rayos se curvan en la mitad, donde asciende el gas menos denso.

Como se verificó con una bobina cercana (Fig. 15), el campo magnético AC entre electrodos, no está confinado por la superficie de vidrio exterior, sino que sale de la esfera (ya que el electrodo inferior se encuentra relativamente alejado de la esfera central. Todo campo magnético tiene asociado un campo eléctrico. Por lo tanto, cuando se acerca un tubo o ampolleta fluorescente, el gas en su interior se ioniza y produce el fenómeno de fluorescencia, que caracteriza a estos dispositivos de iluminación (Figs. 8-9).

Los círculos negros que rodean la llegada de los rayos sobre el electrodo esférico central corresponden a una zona en la que el gas no llega a excitarse. Esto se observa en tubos de descarga de baja presión, donde la luminiscencia se "estratifica" en diferentes zonas, alternadamente iluminadas y obscuras, que a su vez corresponden a las zonas de choques con luminiscencia y aceleración sin choques ni luminiscencia, respectivamente. Cuando la presión no es muy baja, las zonas obscuras desaparecen quedando solo la que rodea a los electrodos. En el caso del electrodo central de la esfera de plasma, se tiene el mismo fenómeno pero llegando varias descargas o rayos simultáneamente a la superficie esférica central, por lo que las zonas obscuras se reacomodan unas contra otras.

Es interesante estudiar estos fenómenos con otros electrodos. Para ello, se ha vuelto a desarmar la esfera, y se han conectado cables ("cocodrilos" rojos y verdes) para así extender los electrodos de alto voltaje que están en el cable rojo y en la base plástica (Fig. 16a).


Figura 16a: Conexiones para llevar los electrodos a otras partes de la esfera.

De este modo se pueden usar diferentes configuraciones de electrodos, sin que uno de ellos sea la esfera central (Fig. 16b). El electrodo principal (el conectado al cable rojo), está en el cocodrilo rojo. Y el otro electrodo, el que llega a través del plástico, en el verde.


Figura 16b: Ejemplo de dos electrodos colocados en la superficie.

Las nuevas configuraciones de electrodos permiten observar cosas que antes no se veían, como por ejemplo que ningún rayo esté en la esfera central, o que haya rayos que terminan desvaneciéndose en el medio del gas. En la primera foto (Fig. 17), se muestra un rayo que va desde el cocodrilo rojo hacia el agujero inferior de la esfera. Esto sucede porque al agarrar la base con la mano, el electrodo secundario (a través del plástico), vuelve ser la parte inferior (además del cocodrilo verde puesto en la superficie).


Figura 17: El electrodo secundario es la base plástica tocada con la mano.

En la siguiente foto (Fig. 18), se ha conseguido un arco estable entre el electrodo principal (cocodrilo rojo) y un dedo (que hace mejor contacto como electrodo, que el cocodrilo verde, que está más alejado).


Figura 18: La superficie es tocada con el dedo, entre los electrodos (cocodrilos rojo y verde).

Finalmente se muestran rayos cuando los cocodrilos están más próximos entre sí, sobre la superficie (Fig. 19). Esta foto muestra, además del arco entre ambos cocodrilos, rayos que han encontrado otro camino a través de la esfera central (indicando que el campo es relativamente intenso allí, debido a la superficie metálica), y otros que no terminan en ningún sitio, sino que se desvanecen en el gas con color naranja, lo que indica una menor energía de desexcitación.


Figura 19: Los electrodos (cocodrilos rojo y verde) se han colocado más cerca entre sí .


5-VERDAD o TIMO ... ?

Cerca de la esfera puede apreciarse el olor que se atribuye comúnmente al ozono. Por otro lado, se sabe que una pequeña cantidad de ozono en la atmósfera es bactericida. Por lo tanto, parecería bueno dormir cerca de una bola de plasma. ¿Es así? No lo sé, no tengo información ni conocimientos suficientes. Pero puedo decir esto:

Tanto las descargas en punta como las chispas, determinan modificaciones químicas del aire; a partir de las moléculas O2 de oxígeno se forman moléculas O3 de ozono, y a partir del oxígeno y las moléculas N2 de nitrógeno, se forman óxidos de nitrógeno. Estos últimos, que respirados en gran cantidad perjudican al hombre, producen el típico olor que se aprecia en las proximidades de las máquinas eléctricas que usan alto voltaje (como los televisores). Este olor suele atribuirse erróneamente al ozono.

Aunque en el circuito de la esfera de plasma no haya chispas, el campo eléctrico es suficientemente intenso como para formar óxidos de nitrógeno, como lo demuestra el olor que se percibe enseguida al hacerla funcionar con el circuito destapado. Por lo tanto, en mi opinión, no es conveniente tenerla en ambientes cerrados ni en dormitorios.



EQUIVALENCIAS

1" = 1 in = 1 inch (pulgada) = 2.54 cm

1 kg-f (kilogramo fuerza) = 9.8 N (fuerza sobre una masa de 1 kg ejercida por la aceleración de la gravedad en la superficie terrestre: 9.8 m/s2, o sea, es la unidad en la que nos pesamos),

1 Pa = N/m2 (1 pascal, unidad de presión en el S.I. de unidades)

1 torr = 1 mm de Hg a 0°C

1 atm = 760 torr (Presión de una atmósfera, también denominada "atmósfera física")

1 at = 1 kg-f/cm2 = 735.559 torr = 0.967841 atm (Presión de una "atmósfera técnica")

1 bar = 105 Pa = 750.062 torr = 0.986923 atm



REFERENCIAS

(1) Encyclopædia Britannica (Consultado en Octubre 22, 2007) Plasma (17 páginas)

(2) Encyclopædia Britannica (Consultado en Octubre 22, 2007) Luminescence (22 páginas)

(3) Kip A F 1962 Fundamentals of Electricity and Magnetism (New York: McGraw-Hill)



AGRADECIMIENTOS

A la laboratorista Celia Mezquita del CPSI de la Univ. de Zaragoza, por bobinar pacientemente la bobina de la Fig. 15.



CÓMO HACER REFERENCIA A ESTE ARTÍCULO

Giordano J L 2007 Cómo funcionan las cosas: La esfera de plasma (Santiago: http://www.profísica.cl) http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=39 (Consulta: Mes Día, Año)




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