كرة بلازما

كرة البلازما ، أو مصباح البلازما ، عبارة عن وعاء زجاجي شفاف مملوء بغازات نبيلة ، عادةً ما تكون مزيجًا من النيون والكريبتون والزينون ، ويحتوي على قطب كهربائي عالي الجهد في مركزه. عند تطبيق الجهد، تتشكل البلازما داخل الوعاء. تمتد خيوط البلازما من القطب الداخلي إلى العازل الزجاجي الخارجي، مما يُعطي مظهرًا لعدة حزم ضوئية ملونة ثابتة. كانت كرات البلازما شائعة كقطع تذكارية في ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 1 ]}

اخترع نيكولا تيسلا مصباح البلازما خلال تجاربه على التيارات عالية التردد في أنبوب زجاجي مفرغ من الهواء لدراسة ظواهر الجهد العالي . ^{[ 2 ]} أطلق تيسلا على اختراعه اسم " أنبوب تفريغ الغاز الخامل ". ^{[ 3 ]} طُوّر تصميم مصباح البلازما الحديث على يد جيمس فالك وطالب معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بيل باركر . ^{[ 1 ] [ 4 ]}

أنبوب التكسير هو جهاز مشابه مملوء بخرزات مطلية بالفوسفور.

على الرغم من وجود العديد من الاختلافات، فإن كرة البلازما عادة ما تكون عبارة عن كرة زجاجية شفافة مملوءة بمزيج من الغازات المختلفة (الأكثر شيوعًا هو النيون ، وأحيانًا مع غازات نبيلة أخرى مثل الأرجون والزينون والكريبتون ) عند ضغط جوي تقريبًا.

تُشغَّل كرات البلازما بتيار متردد عالي التردد (حوالي 35 كيلوهرتز ) بجهد يتراوح بين 2 و5 كيلوفولت . ^{[ 1 ]} تتكون دائرة التشغيل أساسًا من عاكس طاقة متخصص ، حيث يُغذّي تيار من مصدر تيار مستمر منخفض الجهد دائرة مذبذب إلكتروني عالي التردد، ويتم رفع جهد خرجها بواسطة محول عالي التردد والجهد ، مثل ملف تسلا مصغر أو محول عكسي . تُنقل طاقة الترددات الراديوية من المحول إلى الغاز داخل الكرة عبر قطب كهربائي في مركزها. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم بعض التصاميم الكرة كجوف رنين، مما يوفر تغذية راجعة موجبة لترانزستور التشغيل عبر المحول. كما يمكن استخدام كرة زجاجية مجوفة أصغر حجمًا كقطب كهربائي عند ملئها بصوف معدني أو سائل موصل متصل بمخرج المحول. في هذه الحالة، تُنقل طاقة الترددات الراديوية إلى الحيز الأكبر عن طريق الاقتران السعوي عبر الزجاج. تمتد خيوط البلازما من القطب الداخلي إلى العازل الزجاجي الخارجي، مما يُعطي مظهرًا لخيوط ضوئية ملونة متحركة داخل حجم الكرة . عند تقريب اليد من الكرة، تنبعث منها رائحة خفيفة للأوزون ، حيث ينتج هذا الغاز عن تفاعل الجهد العالي مع أكسجين الغلاف الجوي.

تحتوي بعض الكرات على مقبض تحكم لتغيير مقدار الطاقة الموجهة إلى القطب المركزي. عند أدنى مستوى لإضاءة الكرة أو "ضربها"، يتشكل خيط واحد. تشغل قناة البلازما لهذا الخيط مساحة كافية لنقل أدنى طاقة ضرب إلى العالم الخارجي عبر زجاج الكرة. مع زيادة الطاقة، تتجاوز قدرة هذه القناة الواحدة طاقتها، فتتشكل قناة ثانية، ثم ثالثة، وهكذا. تتنافس الخيوط على مساحة على سطح الكرة الداخلية. جميع الطاقات المتدفقة عبر هذه الخيوط لها نفس القطبية، لذا فهي تتنافر كشحنات متشابهة: يحيط بكل مساحة على القطب الداخلي حدٌّ داكن رقيق.

تُجهز الكرة بتفريغ أكبر قدر ممكن من الهواء. ثم تُملأ بغاز النيون حتى يصل الضغط إلى ضغط جوي مماثل للضغط الجوي العادي. عند تشغيل طاقة الترددات الراديوية، أي عند "ضرب" الكرة أو "إضاءتها"، ستتوهج الكرة بأكملها بلون أحمر خافت. بإضافة كمية قليلة من غاز الأرجون، تتشكل خيوط متوهجة. أما بإضافة كمية ضئيلة جدًا من غاز الزينون، فتتفتح "أزهار" عند أطراف هذه الخيوط.

غالبًا ما يأتي النيون المتوفر للشراء لمحلات لافتات النيون في قوارير زجاجية مضغوطة بضغط منخفض جدًا. لا يمكن استخدام هذه القوارير لملء كرة بمزيج مناسب. لذا، يلزم وجود خزانات غاز، كل منها مزود بمنظم ضغط ووصلة خاصة به: خزان لكل نوع من الغازات المستخدمة.

من بين الغازات النبيلة الأخرى، يُعدّ الرادون مشعًا ، ويتسرب الهيليوم عبر الزجاج بسرعة نسبية، أما الكريبتون فهو باهظ الثمن. ويمكن استخدام غازات أخرى مثل بخار الزئبق . وقد تتفكك الغازات الجزيئية بفعل البلازما.

يؤدي وضع طرف الإصبع على الزجاج إلى خلق نقطة جذب لتدفق الطاقة، لأن جسم الإنسان الموصل (الذي تقل مقاومته الداخلية عن 1000 أوم) ^{[ 5 ]} يستقطب بسهولة أكبر من المادة العازلة المحيطة بالقطب الكهربائي (أي الغاز داخل الكرة)، مما يوفر مسارًا بديلًا للتفريغ ذي مقاومة أقل. وبالتالي، فإن قدرة الجسم الموصل الكبير على استقبال طاقة الترددات الراديوية أكبر من قدرة الهواء المحيط. تتدفق الطاقة المتاحة لخيوط البلازما داخل الكرة بشكل تفضيلي نحو المستقبل الأفضل. كما يتسبب هذا التدفق في أن يصبح خيط واحد، من داخل الكرة إلى نقطة التلامس، أكثر سطوعًا وأقل سمكًا. ^{[ 1 ]} يكون الخيط أكثر سطوعًا لأن هناك تيارًا أكبر يتدفق عبره وإلى جسم الإنسان، الذي تبلغ سعته حوالي 100  بيكوفاراد. ^{[ 6 ]} يكون الخيط أرق لأن المجالات المغناطيسية المحيطة به، والتي تعززها الآن التيار الأعلى المتدفق من خلاله، تسبب تأثيرًا مغناطيسيًا هيدروديناميكيًا يسمى الانضغاط : تخلق المجالات المغناطيسية الخاصة بقناة البلازما قوة تعمل على ضغط حجم قناة البلازما نفسها.

يعود جزء كبير من حركة الخيوط إلى تسخين الغاز المحيط بها. فعندما يسخن الغاز على طول الخيط، يصبح أكثر خفةً ويرتفع حاملاً الخيط معه. إذا كان الخيط يفرغ شحنته في جسم ثابت (مثل يد) على جانب الكرة، فسيبدأ بالتشوه في مسار منحني بين القطب المركزي والجسم. وعندما تصبح المسافة بين القطب والجسم كبيرة جدًا بحيث يتعذر الحفاظ عليها، سينقطع الخيط ويتشكل خيط جديد بين القطب واليد .

يتولد تيار كهربائي داخل أي جسم موصل بالقرب من الكرة. يعمل الزجاج كعازل في مكثف يتشكل بين الغاز المتأين واليد.

من خلال ضبط الجهد والتردد والتركيب الكيميائي وضغط الغاز في الكرة الأرضية، يمكن تحقيق العديد من التأثيرات الملونة

في براءة الاختراع الأمريكية رقم 0,514,170 ("المصباح الكهربائي المتوهج"، 6 فبراير 1894)، وصف نيكولا تيسلا مصباحًا بلازميًا. تُعد هذه البراءة من أوائل براءة اختراع مصابيح التفريغ عالية الكثافة. استخدم تيسلا كرة مصباح متوهجة ذات عنصر موصل داخلي واحد، وقام بتحفيز هذا العنصر بتيارات عالية الجهد من ملف تيسلا ، مما أدى إلى توليد انبعاث التفريغ الفرشاتي. حصل تيسلا على حماية براءة اختراع لشكل معين من المصباح، حيث يتم تثبيت جسم صغير أو زر من مادة حرارية مُضيئة بواسطة موصل يدخل في كرة أو مستقبل مُفرغ للغاية. أطلق تيسلا على هذا الاختراع اسم "مصباح الطرف الواحد"، أو لاحقًا "أنبوب تفريغ الغاز الخامل". ^{[ 3 ]}

ابتكر جيمس فالك كرة البلازما من طراز جراوندستار ، وسُوِّقت لهواة الجمع ومتاحف العلوم في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 1 ]} وفي عام 1984، أشاد جيري بورنيل بكرة أومنيسفير من شركة أورب، واصفًا إياها بأنها "أروع قطعة في العالم أجمع" و"رائعة... نوع جديد من الأعمال الفنية"، مصرحًا: "لا يمكنك شراء ما أملكه بأي ثمن". ^{[ 7 ]}

لم تكن التقنية اللازمة لتكوين مخاليط الغازات المستخدمة في كرات البلازما الحالية متاحةً لتيسلا. تستخدم المصابيح الحديثة عادةً مزيجًا من الزينون والكريبتون والنيون ، مع إمكانية استخدام غازات أخرى. ^{[ 1 ] [ 3 ]} تُنتج هذه المخاليط الغازية، إلى جانب أشكال الزجاج المختلفة والإلكترونيات المُدارة بالدوائر المتكاملة ، الألوان الزاهية ونطاق الحركة الواسع والأنماط المعقدة التي نراها في كرات البلازما الحالية.

تُستخدم كرات البلازما في الغالب كقطعٍ نادرة أو ألعابٍ لما تُضفيه من تأثيرات ضوئية فريدة، وللحركات التي يُمكن القيام بها بتحريك الأيدي حولها. وقد تُستخدم أيضًا كجزءٍ من معدات المختبرات المدرسية لأغراض العرض التوضيحي. ولا تُستخدم عادةً للإضاءة العامة. مع ذلك، بدأت بعض متاجر الأدوات المبتكرة في السنوات الأخيرة ببيع مصابيح ليلية مصغرة على شكل كرات بلازما ، يُمكن تركيبها على قاعدة مصباح عادية. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يمكن استخدام كرات البلازما لإجراء تجارب على الفولتية العالية . عند وضع صفيحة موصلة أو ملف سلكي على الكرة، يمكن للتوصيل السعوي نقل جهد كافٍ إلى الصفيحة أو الملف لتوليد قوس كهربائي صغير أو لتنشيط حمل ذي جهد عالٍ . هذا ممكن لأن البلازما داخل الكرة والموصل خارجها يعملان كلوحتين لمكثف، مع وجود الزجاج بينهما كعازل. يمكن لمحول خافض للجهد موصول بين الصفيحة وقطب الكرة إنتاج خرج ترددات لاسلكية بجهد منخفض وتيار عالٍ. يُعد التأريض الدقيق ضروريًا لمنع الإصابة أو تلف المعدات.

قد يؤدي تقريب المواد الموصلة أو الأجهزة الإلكترونية من كرة البلازما إلى سخونة الزجاج. وقد تتسبب طاقة الترددات الراديوية عالية الجهد المنبعثة منها من داخل الكرة في صدمة كهربائية خفيفة للشخص الذي يلمسها، حتى من خلال غلاف زجاجي واقٍ. كما يمكن أن يتداخل مجال الترددات الراديوية الناتج عن كرات البلازما مع عمل لوحات اللمس المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، ومشغلات الصوت الرقمية ، والهواتف المحمولة ، وغيرها من الأجهزة المماثلة. ^{[ 1 ]} ويمكن لبعض أنواع كرات البلازما أن تشع تداخلاً كافياً في الترددات الراديوية (RFI) للتأثير على الهواتف اللاسلكية وأجهزة الواي فاي على بعد أمتار أو أقدام.

إذا لامس موصل كهربائي السطح الخارجي للكرة، فقد يؤدي الاقتران السعوي إلى توليد جهد كافٍ عليه لإنتاج قوس كهربائي صغير . هذا ممكن لأن زجاج الكرة يعمل كعازل مكثف : يعمل الجزء الداخلي للمصباح كلوح، ويعمل الجسم الموصل على السطح الخارجي كلوح المكثف المقابل. ^{[ 3 ]} يُعد هذا الفعل خطيرًا، إذ يُمكن أن يُتلف الكرة أو الأجهزة الإلكترونية الأخرى، ويُشكل خطرًا للاشتعال. ^{[ 1 ]}

يمكن أن تتشكل كميات ملحوظة من الأوزون على سطح كرة البلازما.

في يوليو 2022، تسببت شرارة من كرة بلازما في متحف كويستاكون في أستراليا في اشتعال معقم اليدين الكحولي الذي تم وضعه على يدي طفل، مما أدى إلى إصابته بحروق خطيرة. ^{[ 10 ]}

• فيوسر
• قائمة مصادر الإضاءة
• مصباح الكبريت
• قوس الفراغ