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电光魔球

王朝百科·作者佚名  2011-03-29
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电光魔球

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。

电弧球

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。

 
 
 
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