miniatura|Um globo de plasma com filamentos entre as esferas interna e externa
Um , também chamado de bola de plasma, é um recipiente de vidro transparente preenchido com gases nobres, geralmente uma mistura de neônio, criptônio e xenônio, com um eletrodo de alta tensão no centro. Quando se aplica tensão, forma-se plasma no interior do recipiente. Filamentos de plasma se estendem do eletrodo interno até o vidro isolante externo, dando a aparência de feixes contínuos de luz colorida. Os globos de plasma se tornaram populares como curiosidades decorativas na década de 1980.
Nikola Tesla desenvolveu na década de 1890 um tubo de descarga em gás inerte durante seus experimentos com correntes de alta frequência em uma ampola de vidro evacuada, usados para estudar fenômenos de alta tensão. Tesla chamou sua invenção de "Inert Gas Discharge Tube", ou "tubo de descarga em gás inerte". O formato moderno do globo de plasma foi desenvolvido por James Falk e pelo estudante do MIT Bill Parker.
Um tubo crepitante é um dispositivo relacionado, preenchido com pequenas esferas revestidas de fósforo.
Construção Embora existam muitas variações, um globo de plasma costuma ser uma esfera de vidro transparente preenchida com uma mistura de gases, mais frequentemente neônio e outros gases nobres, como argônio, xenônio e criptônio. A pressão varia conforme o projeto. Pequenos globos comerciais podem operar sob baixa pressão, enquanto outros modelos usam misturas próximas da pressão atmosférica.
Os globos de plasma são alimentados por corrente alternada de alta frequência, em torno de 35 kHz, com tensão de 2–5 kV. O circuito de acionamento é, em essência, um inversor de potência especializado. A corrente proveniente de uma fonte de corrente contínua de tensão mais baixa alimenta um circuito oscilador eletrônico de alta frequência, cuja saída é elevada por um transformador de alta frequência e alta tensão, por exemplo uma pequena bobina de Tesla ou um transformador flyback. A energia de radiofrequência do transformador é transmitida ao gás por um eletrodo no centro da esfera. Alguns projetos também usam o globo como cavidade ressonante, fornecendo realimentação positiva ao transistor de acionamento por meio do transformador. Uma esfera de vidro oca muito menor também pode atuar como eletrodo quando é preenchida com lã de aço ou um fluido condutor ligado à saída do transformador. Nesse caso, a energia de radiofrequência entra no espaço maior por acoplamento capacitivo através do vidro. Os filamentos de plasma se estendem do eletrodo interno até o vidro isolante externo e formam estruturas móveis de luz colorida. Esse arranjo é um sistema acoplado capacitivamente e se aproxima de uma descarga de barreira dielétrica esférica.
Alguns globos têm um controle que varia a potência enviada ao eletrodo central. No menor ajuste capaz de iniciar a descarga, pode formar-se apenas um filamento. À medida que a tensão aumenta, surgem filamentos adicionais. Experimentos com globos comerciais mostraram que o aumento da magnitude da tensão eleva o número de filamentos, enquanto a frequência afeta com maior intensidade a estrutura de cada filamento. Os filamentos também ocupam regiões distintas na esfera interna. O acúmulo de carga nas superfícies dielétricas altera a localização das descargas e pode manter separadas as regiões em que os canais atingem o vidro.
Durante a fabricação, o ar é retirado da esfera antes da introdução da mistura gasosa. A pressão e a composição variam conforme o modelo. Em globos preenchidos apenas com neônio, a descarga é avermelhada ou alaranjada. Misturas com xenônio e criptônio acrescentam outras cores e alteram a aparência dos filamentos. Um exemplo comercial documentado continha 95% de neônio e 5% de xenônio, enquanto outro usava 95% de neônio, 2,5% de xenônio e 2,5% de criptônio.
O neônio vendido para oficinas de letreiros luminosos pode ser fornecido em recipientes de vidro sob vácuo parcial. Esses recipientes não servem, por si sós, para preencher um globo com uma mistura controlada. A preparação exige equipamento de vácuo, fontes adequadas para cada gás, reguladores de pressão e conexões compatíveis. Entre os outros gases nobres, o radônio é radioativo, o hélio pode escapar gradualmente através do vidro e o criptônio é caro. Vapores de outros elementos, como mercúrio, também podem ser usados. Gases moleculares podem ser dissociados pelo plasma.
Interação miniatura|Efeito produzido quando um objeto condutor, neste caso uma mão, toca o globo de plasma
Encostar a ponta de um dedo no vidro cria uma região para a qual a energia tende a fluir. O corpo humano condutor, cuja resistência interna é inferior a 1.000 ohms em muitas condições de contato elétrico, oferece um caminho de descarga diferente do material dielétrico em torno do eletrodo. A capacitância de um corpo condutor grande permite maior acoplamento com a energia de radiofrequência do que o ar ao redor. Por isso, a energia disponível para os filamentos tende a se concentrar no ponto de contato, e um filamento entre a esfera interna e o dedo se torna mais brilhante. O corpo humano tem capacitância da ordem de 100 pF. Explicações populares atribuíram o estreitamento aparente do filamento a um efeito de pinçamento magnético, mas medições em globos comerciais mostram que as forças magnéticas próprias são desprezíveis nas correntes típicas. O diâmetro observado dos filamentos varia com a frequência e com a difusão de cargas no gás.
miniatura|esquerda|Uma "bola de Tesla" no museu de ciências NEMO, em Amsterdã
Grande parte do movimento visível dos filamentos decorre do aquecimento e da flutuabilidade do gás. Quando o gás ao longo de um filamento se aquece, ele sobe e deforma o caminho repetido pelas descargas. Imagens de alta velocidade mostram que os filamentos individuais são transitórios, com duração de poucos microssegundos, mas podem refazer quase o mesmo trajeto por milhares de ciclos até que a flutuabilidade distorça o canal e um novo caminho se forme. Se a descarga estiver concentrada em um objeto fixo, como uma mão na lateral do globo, o filamento pode assumir um caminho curvo entre o eletrodo central e o ponto de contato. Quando esse caminho deixa de se sustentar, ele se desfaz e outro se forma. Comportamento semelhante ocorre no arco ascendente conhecido como escada de Jacó.
Uma corrente elétrica pode ser induzida em objetos condutores próximos à esfera. O vidro funciona como o dielétrico de um capacitor formado entre o gás ionizado no interior e o objeto condutor no exterior.
Galeria Ao ajustar a tensão, a frequência, a composição química e a pressão do gás no globo, podem-se obter diferentes efeitos coloridos.
História miniatura|Vídeo de um globo de plasma
Na patente dos Estados Unidos nº 514.170, "Incandescent Electric Light", concedida em 6 de fevereiro de 1894, Nikola Tesla apresentou uma lâmpada de plasma. A patente trata de uma das primeiras lâmpadas de descarga de alta intensidade. Tesla usou uma ampola semelhante à de uma lâmpada incandescente, com um único elemento condutor interno, e excitou esse elemento com correntes de alta tensão produzidas por uma bobina de Tesla, criando uma descarga em forma de escova. A proteção da patente abrangia uma configuração em que um pequeno corpo luminoso de material refratário era sustentado por um condutor que entrava em uma ampola ou recipiente com alto grau de vácuo. Tesla chamou a invenção de "single terminal lamp", ou "lâmpada de terminal único", e mais tarde de "Inert Gas Discharge Tube", ou "tubo de descarga em gás inerte".
O modelo Groundstar de globo de plasma foi criado por James Falk e comercializado para colecionadores e museus de ciência nas décadas de 1970 e 1980. Em 1984, Jerry Pournelle elogiou a Omnisphere, da Orb Corporation, chamando-a de "o objeto mais fabuloso do mundo" e de "magnífica [...] um novo tipo de objeto de arte". Acrescentou: "você não compra a minha por preço nenhum".
A patente de Tesla é de 1894. O criptônio e o xenônio, usados em misturas de globos modernos, só foram descobertos em 1898. Os globos modernos usam combinações de neônio, xenônio e criptônio, entre outros gases. As misturas de gases, combinadas com diferentes formas de vidro e circuitos eletrônicos de acionamento, produzem as cores, movimentos e padrões vistos nos globos de plasma.
Aplicações Os globos de plasma são usados principalmente como curiosidades ou brinquedos por seus efeitos luminosos e pelas mudanças produzidas quando o usuário aproxima ou movimenta as mãos ao redor do vidro. Também podem fazer parte do equipamento de laboratórios escolares para demonstrações. Em geral, não são empregados para iluminação comum. Algumas lojas de artigos de novidade passaram a vender versões em miniatura como luzes noturnas, que podem ser instaladas em soquetes de lâmpadas.
Globos de plasma também podem ser usados em experiências com alta tensão. Se uma placa condutora ou uma bobina de fio for colocada sobre o globo, o acoplamento capacitivo pode transferir tensão suficiente para produzir um pequeno arco elétrico ou alimentar uma carga de alta tensão. Isso ocorre porque o plasma dentro do globo e o condutor fora dele funcionam como placas de um capacitor, com o vidro entre os dois atuando como dielétrico. Um transformador abaixador ligado entre a placa e o eletrodo do globo pode fornecer uma saída de radiofrequência com tensão menor e corrente maior. Um aterramento adequado é essencial para reduzir o risco de ferimentos e danos ao equipamento.
Riscos A aproximação de materiais condutores ou dispositivos eletrônicos de um globo de plasma pode aquecer o vidro. A energia de radiofrequência em alta tensão acoplada a esses objetos pode produzir um choque elétrico leve em uma pessoa que os toque, mesmo com o globo protegido por vidro. O campo de radiofrequência produzido pelo aparelho pode interferir no funcionamento de painéis sensíveis ao toque de computadores portáteis, reprodutores digitais de áudio, telefones celulares e dispositivos semelhantes. Alguns globos podem emitir interferência de radiofrequência suficiente para afetar telefones sem fio e redes Wi-Fi a alguns metros de distância.
Se um condutor elétrico tocar a parte externa do globo, o acoplamento capacitivo pode induzir nele potencial suficiente para produzir um pequeno arco elétrico. Isso ocorre porque o vidro do globo atua como dielétrico de um capacitor, com o interior da lâmpada funcionando como uma placa e o objeto condutor externo como a outra. A prática pode danificar o globo ou outros equipamentos eletrônicos e criar risco de ignição.
A formação de ozônio junto à superfície de globos de plasma foi descrita de maneiras diferentes. Uma matéria de 2008 atribuiu um leve odor percebido junto ao vidro à formação de ozônio. Experimentos com globos de plasma também os distinguiram de jatos de plasma atmosférico que produzem espécies reativas de oxigênio e nitrogênio. Em testes publicados em 2023, tiras detectoras de ozônio mantidas durante dez minutos junto à superfície de globos de plasma não detectaram formação de ozônio no ar próximo ao vidro.
Em julho de 2022, uma faísca de um globo de plasma no museu Questacon, na Austrália, incendiou o desinfetante para as mãos à base de álcool que havia sido aplicado nas mãos de uma criança, causando queimaduras graves.
Ver também
Plasma, estado da matéria produzido no interior do globo Lâmpada de descarga, fonte de luz baseada em descarga elétrica em um gás Bobina de Tesla, circuito de alta tensão usado nos experimentos de Nikola Tesla Gerador de Van de Graaff, equipamento usado em demonstrações de alta tensão e eletrostática
Categoria:Eletromagnetismo Categoria:Tecnologia de plasma e aplicações