Witam!
Chciałbym wam przedstawić głośnik plazmowy z wprowadzonymi kilkoma modernizacjami w celu uzyskania lepszego dźwięku, który został zaprezentowany na Konkursie Fizyki Doświadczalnej w Wałczu i dzięki niemu udało mi się zdobyć I miejsce w kategorii 2. W pracy zawarłem kilka ciekawych własności plazmy i zjawisk do niej podobnych. Poniżej zamieszczam opis dołączony do pracy i film nakręcony na potrzeby konkursu. Zachęcam do obejrzenia. Płytka drukowana wykonana na potrzeby układu była jedną z moich pierwszych i jej jakość jest kiepska, tak że wymagała polutowania wszystkich ścieżek wysoko prądowych ponieważ były niedostosowane do dłuższej pracy. Być może w przyszłości przeprojektuję płytkę.
Opis doświadczenia:
„Głośnik plazmowy: plazma i jej niezwykłe właściwości”
Doświadczenie kategorii II ( doświadczenie skomplikowane, gdzie użyto profesjonalnych przyrządów wykonanych „fabrycznie” lub samodzielnie )
Podczas badania właściwości plazmy użyty zostaje układ głośnika plazmowego wykonanego samodzielnie przez uczestnika konkursu. Jako pierwotnego pomysłodawcę zastosowania łuku elektrycznego do wytwarzania dźwięku można wskazać Siegfrieda Kleina, który opatentował ten wynalazek w 1946 roku.
Układ powstał, bazując na powszechnych w Internecie projektach tego typu, bez dokładniej określonego współczesnego autora. Przed wykonaniem schematu i praktycznego układu konstruktor postanowił wesprzeć się radami i doświadczeniem innych użytkowników, wprowadzając modyfikacje poprawiające działanie głośnika. Następnie przystąpił do wykonania schematu i zaprojektowania własnej płytki drukowanej w programie CadSoft Eagle. Kolejnym etapem było wykonanie obwodu drukowanego w domowych warunkach i przylutowanie elementów. Ostatnią fazą były testy układu, ewentualne naprawy, drobne modyfikacje montażowe i instalacja na płytce ekspozycyjnej.
Cały projekt powstał w domowym warsztacie uczestnika konkursu, ze samodzielnie znalezionych materiałów i z wykorzystaniem nabytego amatorskiego doświadczenia w elektronice. Kolejne czynności badające i opisujące właściwości plazmy powstały podczas obserwacji wpływu różnych zjawisk na plazmę np. pola magnetycznego oraz prób z oddziaływaniem plazmy na przedmioty codziennego użytku np. świeczką czy kawałkiem kartonu. Do doświadczenia opisującego czwarty stan skupienia zostały włączone również urządzenia i eksperymenty fizyczne skojarzone z wysokim napięciem i plazmą.
UWAGA! Podczas doświadczenia wykorzystywane jest urządzenie wytwarzające wysokie napięcie i toksyczny ozon, mogące stanowić zagrożenie dla życia lub zdrowia użytkowników! Przeprowadzając to doświadczenie należy zachować szczególną ostrożność!
Przed przystąpieniem do wykonania doświadczenia należy posiadać podstawowe wiadomości o plazmie i zjawiskach fizycznych jej dotyczących. Pomogą nam one lepiej zrozumieć doświadczenie i prawa nim rządzące.
Podczas naszego eksperymentu ważne będą następujące nowe informacje i definicje:
• Plazma zimna - silnie zjonizowany gaz (przewodzący prąd), który przez swoje specyficzne właściwości nazywany jest czwartym stanem skupienia. Jest to chmura gazu, elektrycznie obojętna, o dużej koncentracji elektronów i jonów. Występuje przy stosunkowo niskich temperaturach i ciśnieniach.
• Wyładowanie elektryczne - przepływ prądu w izolatorze wywołany silnym polem elektromagnetycznym. (wysokim napięciem)
• Łuk elektryczny – to ciągłe wyładowanie elektryczne w normalnych warunkach.
• Fluorescencja – zjawisko emitowania światła przez wzbudzony (głównie światłem) atom lub cząsteczkę.
Konieczna jest też znajomość podstawowych zjawisk fizycznych:
• Powstawanie fali akustycznej
• Właściwości płomienia
• Oddziaływania magnetyczne i pole magnetyczne
• Widmo optyczne
• Jonizacja gazu w świetlówkach
• Zasada działania transformatora
Do przeprowadzenia doświadczenia badającego właściwości plazmy potrzebny będzie:
• Układ głośnika plazmowego wraz z elektrodami służącego za źródło plazmy
• Zasilacz regulowany zapewniający zasilanie dla powyższego układu (głośnik
jest wyposażony w układ filtracji zasilania, więc można zamiennie zastosować transformator o odpowiednich parametrach – ok. 20V/5A)
• Źródło elektrycznego sygnału dźwiękowego (na przykład telefon komórkowy, odtwarzacz MP3 lub wyjście słuchawkowe z komputera czy laptopa).
• Świeczka, magnes ferrytowy, probówka toniku (zawierającego chininę), spirala świetlówki energooszczędnej, prosta drabina Jakuba wykonana z drutów.
Aby zrozumieć, w jaki sposób powstaje wysokie napięcie, a w jego następstwie plazma na wyjściu układu głośnika plazmowego, trzeba dokonać analizy obwodów i określić ich funkcje. Po uproszczeniu, czyli usunięciu ze schematu obwodów nieistotnych dla rozpatrywania głównych założeń działania układu takich jak: filtry i układ stabilizacji napięcia, kondensatory blokujące składową stałą, elementy peryferyjne warunkujące działanie układu scalonego, obwody tłumienia przepięć i wygaszenia bramki, dalsza analiza działania znacznie się ułatwia.
Układ działa w następujący sposób: w stanie spoczynku generator PWM wytwarza sygnał prostokątny o danym wypełnieniu, czyli czasie trwania i częstotliwości, ustalanych przez potencjometry. Dalej sygnał z wyjścia układu scalonego podawany jest na wejście tranzystora sterującego mocy mosfet, który przetwarza go na adekwatne parametrami impulsy wysoko prądowe pobierane ze źródła zasilania i przepływające przez kilku zwojowe uzwojenie pierwotne spreparowanego transformatora.W wyniku tych impulsów na wyjściu trafo powielacza powstaje wielokrotnie wyższe napięcie, które powoduje jonizację dielektryka, jakim jest powietrze i przepływ przez nie prądu, skutkujące stabilnym łukiem elektrycznym, czyli płomieniem plazmy.
Badanie właściwości plazmy:
„Grająca plazma” – czyli wytwarzanie dźwięku przez plazmę.
Po podłączeniu źródła elektrycznego sygnału dźwiękowego (w naszym przypadku telefonu komórkowego) i odpowiedniej regulacji układu głośnika w celu uzyskania stabilnego płomienia i dobrej jakości dźwięku można włączyć odtwarzanie piosenki. Wybrany przez nas utwór słyszymy wprost z łuku elektrycznego! Różnorakie dźwięki odtwarzane są przez plazmę pomiędzy elektrodami! Możemy zauważyć, że nie jest to głośnik wielkiej mocy, ponieważ muzyka wydobywająca się z płomienia ma głośność porównywalną do odtwarzanej z telefonu komórkowego. Dodatkowo słyszymy, że puszczana muzyka nie ma głębi, brakuje w niej dźwięków niskich – basowych. Mimo, że wysokość dźwięku jest odczuciem subiektywnym, odtwarzając utwory składające się głównie z niskich dźwięków (muzyka z gatunku techno lub dubstep) łatwo możemy zauważyć, że znacząco różnią się od wersji odtwarzanej na zwykłych głośnikach. Spowodowane jest to tym, że membraną w tym wypadku jest mały płomień plazmy i nie jest on w stanie oddać dźwięków wymagających niskich częstotliwości i dużych ruchów membrany ( poruszenia dużych ilości powietrza). Głośnik plazmowy odtwarza za to doskonale wysokie tony, ponieważ charakteryzuje się niską bezwładnością membrany: płomień z łatwością przenosi szybkie drgania do powietrza, przez co sprawia - że są one przenikliwe i wyraźne.
Plazma wytwarza dźwięk dzięki temu, że jest odpowiednio modulowana. Generator PWM w zależności od wejściowego elektrycznego sygnału dźwiękowego skraca lub wydłuża parametry przebiegu wyjściowego o stałej częstotliwości i tym samym powoduje zagęszczenie lub rozrzedzenie plazmy, która przekłada to na zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza. W ten sposób powstaje fala akustyczna, która z definicji jest zaburzeniem gęstości i ciśnienia w ośrodku sprężystym (powietrzu). Fala ta, docierając do naszych uszu, pozwala nam słyszeć odtwarzaną z telefonu muzykę.
„Plazma, a płomień świecy”
Kontynuując nasze doświadczenie, nie odłączając telefonu komórkowego ani nie zmieniając parametrów łuku elektrycznego przykładamy świeczkę w płomień plazmy. Zauważamy, że obiekt błyskawicznie się podpala, a płomień plazmy znika w płomieniu świecy. Pozostaje jedynie krótki łuk elektryczny doprowadzający napięcie z elektrod do płomienia. Ognik świecy wydaje się być jaśniejszy. Muzyka dalej jest odtwarzana, tym razem głównie przez płomień świecy.
Błyskawiczne odpalenie się knota sugeruje, że plazma ma bardzo wysoką temperaturę, rzędu kilu tysięcy stopni Celsjusza. Rozjaśnienie płomienia spowodowane jest dodatkowym rozgrzewaniem atomów węgla przez bardzo wysoką temperaturę plazmy. Możemy z tego wywnioskować, że zwykły płomień spalania ma właściwości podobne do plazmy i jak ona przewodzi prąd. Można go również modulować, co pozwala odtwarzać dźwięk. Ogień posiada wiele cech wspólnych z plazmą i podlega tym samym zjawiskom, jednakże nie możemy go definitywnie uznać za plazmę, ponieważ ma zbyt niską temperaturę. (Stanowi to kwestię sporną – różni fizycy i artykuły zajmują odmienne stanowiska) Wielość przemian i oddawania energii przez plazmę sugeruje nam, że jest ona stanem bardzo energetycznym. Podążając dalej możemy stwierdzić, że plazma, jako czwarty stan skupienia posiada największą energię wewnętrzną. Stałej parafinie dostarczamy energię, w wyniku, czego ona topnieje, następnie paruje i spala się – zamieniając się w plazmę, podtrzymywaną przez łuk elektryczny lub spalanie.
„Oddziaływanie plazmy z magnesem”
Aby zbadać kolejną właściwość plazmy potrzebujemy stabilnego łuku elektrycznego: w tym celu wyłączamy sygnał dźwiękowy, który by nam przeszkadzał. Następnie chwytając szczypcami ferrytowy magnes, zbliżamy go powoli do płomienia plazmy i obserwujemy reakcje plazmy na obecność pola magnetycznego o różnej biegunowości. Za każdym razem, niezależnie od bieguna, który przybliżamy do łuku elektrycznego, on wykrzywia się w kierunku magnesu, aby podążyć po jego powierzchni, czyli jak najbliżej pola magnetycznego.
Sugeruje nam to, że plazma zbudowana jest z cząstek podatnych na oddziaływania magnetyczne i jednocześnie przewodzi prąd. Możemy stąd wywnioskować, że plazma to chmura składająca się z elektronów i jonów. Ładunki te, wytwarzając własne pole elektromagnetyczne, przyciągane są polem magnetycznym magnesu i wyginają płomień wzdłuż linii jego pola.
„Światło generowane przez plazmę i jonizacja gazu w świetlówce”
Obserwując płomień plazmy możemy zauważyć, że wysyła on fioletowe światło, i generuje bardzo dużo ciepła – końcówki elektrod są rozżarzone. Aby sprawdzić, czy jest to światło ultrafioletowe, użyjemy toniku Schweppes, zawierający chininę. W zaciemnionym pomieszczeniu przy działającym głośniku przykładamy delikatnie probówkę do światła emitowanego przez łuk elektryczny. W świetle plazmy widzimy ze nasza ciecz emituje jasnoniebieskie światło – zachodzi fluorescencja.
Różnorodność sposobów oddawania energii potwierdza nasze wcześniejsze założenia, według których jest ona najbardziej energetycznym stanem skupienia. Nasza ciecz fluoryzuje, ponieważ znajdujące się w niej cząsteczki chininy ulegają wzbudzeniu pod wpływem światła UV i oddają energię w postaci emitowania jasnoniebieskiej barwy. W ten sposób możemy skojarzyć plazmę z emisją światła ultrafioletowego. Słońce, błyskawice i nasz głośnik te wszystkie przykłady plazmy w stanie wolnym, generujące UV zdają się potwierdzać naszą regułę.
Następnie, (aby przekonać się o jonizacji innych gazów za pomocą wysokiego napięcia) do elektrod głośnika przykładamy spiralę pozyskaną z żarówki jarzeniowej. Gdy łuk elektryczny łączy się z końcówkami spirali widzimy białe światło o ciepłej lub zimniej barwie identyczne w porównaniu z normalnym funkcjonowaniem żarówki.
Jonizacja gazu w świetlówce przekonuje nas, że różne gazy mogą emitować odmienne światło. Pozwala nam to na wyciągnięcie wniosku, że plazma, która powstała w różnym środowisku i warunkach, może mieć inne właściwości między innymi barwę emitowanego światła, temperaturę lub obszar występowania. Szukając więcej informacji natkniemy się na kilka rodzajów plazmy. Na plazmę gorącą, czyli tą, która buduje gwiazdy i na plazmę zimną, występującą w normalnych ziemskich warunkach, przykładowo w naszym głośniku.
„Plazma jako zjonizowany gaz - Drabina Jakuba”
Podczas działania głośnika plazmowego możemy zobaczyć, że łuk elektryczny jest wygięty w górę. Aby przekonać się o kolejnej właściwości plazmy do naszego urządzenia musimy podłączyć dwa druty uformowane razem w kształt litery V, lecz odseparowane od siebie o kilka milimetrów. Następnie ustawić właściwe parametry łuku bez odtwarzania muzyki. Po właściwym uruchomieniu naszych nowych elektrod na ich końcówkach pojawia się mały łuk elektryczny, który szybko porusza się ku górze i zwiększa swoją długość, a następnie przerywa się. Sytuacja powtarza się wielokrotnie.
Analizując to zjawisko stwierdzamy, że plazma ulega zjawisku konwekcji, czyli poruszania się ciepłych mas powietrza w górę spowodowanego różnicą gęstości w ośrodkach. Przekonuje nas to, że plazma wciąż zachowuje się jak gaz, a zarazem ma inne właściwości. Potrafi przewodzić prąd i zawiera w sobie dużo energii, którą oddaje do otoczenia w różny sposób. Cała obserwacja potwierdza, że plazma jest silnie zjonizowanym gazem.
Po dłuższym działaniu głośnika plazmowego możemy poczuć zapach powietrza po burzy. Jest to charakterystyczna cecha ozonu (tritlenu) wytwarzanego przez łuk elektryczny. Plazma, w zależności od środowiska, w jakim jest obecna, może powodować różne reakcje chemiczne.
W środowisku tlenowym przeprowadza syntezę tlenu do ozonu według równania 3O2 → 2O3. Pozwala nam to poznać kolejną niezwykłą właściwość czwartego stanu skupienia. Ozon jest gazem trującym i ma silne właściwości aseptyczne i toksyczne. Należy, więc zachować ostrożność podczas doświadczenia i przeprowadzać je w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, np. w sali z otwartym oknem.
Powyższe czynności tworzące to doświadczenie pozwoliły nam zbadać kilka ciekawych właściwości plazmy i potwierdziły, że nie jest ona wcale tak rzadkim stanem skupienia.
Cool? Ranking DIY
