魔球构造
电光魔球现象探索
余 宁
（同济大学物理系2001级本科生 上海200092）
摘要 电光魔球是一种依靠等离子体和气体放电等技术制成的工艺品。本文介绍了电光魔球的基本结构，分析了电光魔球的工作原理，并介绍了几种有趣的实验现象。
1 引 言 在许多的科技展览会中，可以看到一种散发著闪电状绚丽弧光的玻璃球，一般叫做是电光魔球(图1) ，英文称 plasma magic light，又称电浆球。许多人认为它是一种静电球，其实不然。事实上，电光魔球是依靠等离子体和气体放电技术制成，有著丰富的物理知识内涵。
2 基本结构 电光魔球主要由玻璃球体、电路板、和直流电源这三部分组成。
1) 玻璃球体 它是个密封的球体，其玻璃一般由耐高温的优质玻璃做成。密封的球体内填充了低压的惰性气体。在球体内腔处，如图2中2处，由底板伸入导线，至中央小球腔，与填充小球腔的钢丝堆连接，如图2中5处。
图2 电光魔球基本结构平面图?
2) 电路板 电路板上有著麦克风和电子器件，构成高频交流脉冲电路和声控电路。
3）直流电源 图2 电光魔球基本结构平面图 图3 电光魔球基本结构3D图 电光魔球的电源是大家所熟悉的镇流器，常见的有220V->12V直流电源。
图3 电光魔球基本结构3D图
3 工作原理 底板电路能够产生高频脉冲式交流电和声控电路。高频脉冲式交流电是由导线芯通至钢丝堆内。该交流电，其电压高达数千至一万伏，频率则可能高达数百千赫，但其电流很小，所以即使是用手接触也不会有触电感觉。中心钢丝堆中的钢丝扭曲弯折，形成一个个指向外面尖端，魔球通电後，在中心的钢丝堆与玻璃球体外壳之间产生气体放电现象，形成等离子体，发出绚丽的弧光。电光魔球一般有种声控模式，当调到该模式时，声控电路可以使气体放电根据声音的有无而产生间断变化，声音的大小产生强弱变化。
3.1 高频放电[1 ] 高频放电，不仅仅因为该法易获得纯净等离子体、增强电离提高放电效率，更是在於放电极钢丝堆外玻璃层是绝缘体。如果是采用直流放电，是根本无法维持放电。分析如下：不妨把魔球的惰性气体放电区和玻璃内外壳都视为平行板电容器，其直流放电回路如图4。因 ，而玻璃的介电常数 比惰性气体的大的多，厚度也相对很薄，可得玻璃层的电容量远比惰性气体放电区的等效电容大。同时考虑当电容器串联时，电压在电容器上的分配与电容量成反比。所以在开关接通的瞬间，玻璃层的压降几近为零。依次设玻璃外壳、惰性气体、玻璃内壳的电容为C1、C2、C3（图5）。一旦产生气体放电之後,於是C1内表面开始充正电，C3外表面开始充负电。随著充电过程的持续，C2两端的电压会逐渐减小，即加在放电区两端的电压则随之不断减小，当减小到维持放电所需要的电压值以下时，放电就停止了。
若采用高频交流放电，由电容元件的阻抗 知，因f很大，Zc很小，显然可以看成短路【3】，所以可以维持放电。
图4 放电回路
图5 等效电路
3.2 球内气体[3] 产生放电现象後，魔球发出光的颜色事实上是球内填充气体自身的原子特徵光谱。填充的气体一般为氪或氙和氖的混合气体。氪、氙使球内的光看起来比较像闪电的形状，而非气流状。球内填充的气体不同，光线的颜色也不同（表1）。当然除气体种类外，电流大小及球内气压也会影响魔球发出的颜色。
表1 惰性气体放电颜色
气体元素名称
He
Ne
Ar
Kr
Xe
原子序数
2
10
18
36
54
放电时发光的颜色
黄色
红色
红或蓝色
黄绿色
蓝绿色
4 几种趣味几种趣味现象及生活作用1) 将电光魔球调到声控模式， 拍手掌或是发出一定的声响，因为内置的声控电路，可以看出随著声音的节奏产生放电现象。
2) 将手指接触玻璃球外壳，此时因为手指的电势相对较低，内球通过手指到地形成通路。可发现弧光从内球发出打在手指位置处，并会随著手指的移动而移动，（图6）
3) 日光灯是靠激发汞原子产生紫外光使得萤光粉发光的，只要能产生电势差或者电磁波，即可让日光灯发光[4]。用手握住日光灯管的一端，将其另一端靠著电光魔
球，因为产生电势差，可发现整支灯管会亮了起来（图7）。同样的道理，如果此时把氖泡接近电光魔球的话，也可以看到氖泡发亮。
4) 用磁铁靠近魔球，光线并不会在磁场中偏转，说明发光不是由电子束引起的。
电浆球内充填着低压的惰性气体，中央金属球接上高电压，通常是高频交流电或高频脉冲式直流电，其电压高达数千至一万伏特，频率则可能高达数十千赫，但电流小，可能小到一毫安培以下，由于电流过低，流经人体并不会有电击的感觉。电浆球内填充的气体为氪或氙与氖的混合气体，氪、氙使球内的光看起来比较像闪电的形状，而非气流形状。电浆球通电时，在中心金属球与玻璃外壳之间会有电流通过，带电粒子撞击到球内气体时，会发出各种颜色的光线，这一点和霓虹灯（其实应叫氖灯）非常类似。球内填充的气体种类不同，光线的颜色也不同，例如：氦－淡黄到橙；氖－暗红到橙；氮－白或粉红或橙；氩－紫；氪－白或灰，低压时绿；氙－蓝白或蓝灰，除气体种类外，电流大小及球内气压也会影响电浆球发出的颜色
离子球又称辉光球又称为电离子魔幻球。它的外观为高强度玻璃球壳，球内充有稀薄的惰性气体（如氩气等），玻璃球中央有一个黑色球状电极。球的底部有一块震荡电路板，通过电源变换器，将12V低压直流电转变为高压高频电压加在电极上。
通电后，震荡电路产生高频电压电场，由于球内稀薄气体受到高频电场的电离作用而光芒四射，产生神秘色彩。由于电极上电压很高，故所发生的光是一些辐射状的辉光，绚丽多彩，光芒四射，在黑暗中非常好看。
辉光球工作时，在球中央的电极周围形成一个类似于点电荷的场。当用手（人与大地相连）触及球时，球周围的电场、电势分布不再均匀对称，故辉光在手指的周围处变得更为明亮，产生的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲，随手指移动起舞。
等离子球在照明的同时，能形成带负电的空气负离子。当负离子与空气中的病菌细胞结合后，病菌细胞会因结构的改变而死亡。另外，负离子可通过负电荷中和漂浮在空气中带正电荷的烟雾灰尘，使其失去活性后自然沉淀，最终达到净化空气的目的。负离子还能中和静电，有效地减少空气中的静电污染。并且在照明时，会产生大量高速运动的负离子，在灯光热效应作用下，利用空气动力学原理，可以更均匀有效地扩散到整个室内空间，对所处的环境无死角地进行消毒和净化。
