plazma kugla - eduidea · 2014-07-08 · za drugi dio rada, da bismo dobili plazmu bio nam je...
TRANSCRIPT
Jan Rebernik
Emil Bermanec
Mentor: Melita Sambolek, prof. mentor
PLAZMA KUGLA
Čakovec, 2.5.2014.
GIMNAZIJA JOSIPA SLAVENSKOG
ČAKOVEC
2
Sažetak
Plazma čini više od 99% sve materije na Zemlji i gotovo 99,9% materije u svemiru, što ju čini
vrlo zanimljivom za proučavanje. Plazma kugla je naprava koja služi u svakodnevici kao igračka ili
zanimljiv izvor svjetlosti, a mi smo je odlučili iskoristiti kao izvor plazme te proučiti njena svojstva.
Naše istraživanje ima dva osnovna cilja. Prvi je proučavanje plazme nastale u kugli s plazmom
- mjerenje električnog polja kugle s plazmom i uočavanje efekata koje plazma proizvodi u interakciji
s drugim tijelima. Drugi je cilj pokušati dobiti plazmu u školskim uvjetima bez upotrebe plazma kugle
te istražiti uvjete u kojima je to moguće.
Eksperimentima smo uspjeli potvrditi naše hipoteze da plazma kugla stvara električno polje
koje opada s kvadratom udaljenosti i slično je polju nabijene metalne kugle, te da o obliku vrha
elektrode, tj. o zakrivljenosti plohe jako ovisi oblik i sjaj nastale korone.
3
Sadržaj
1. Uvod .................................................................................................................................................. 4
1.1. Što je plazma? ............................................................................................................................ 4
1.2. Plazma kugla .............................................................................................................................. 5
1.3. Korona izboji ............................................................................................................................. 6
1.4. Električno polje .......................................................................................................................... 7
1.5. Ciljevi i hipoteze ........................................................................................................................ 8
2. Eksperimentalni dio ........................................................................................................................... 9
2.1. Aparatura ……………………………………………………………………………………...9
2.2. Kvalitativno razmatranje električnog polja plazma kugle ....................................................... 10
2.3. Metode mjerenja električnog polja plazma kugle .................................................................... 11
3. Rezultati mjerenja ............................................................................................................................ 12
4. Rasprava .......................................................................................................................................... 22
5. Zaključak ......................................................................................................................................... 25
6. Popis literature ................................................................................................................................. 26
4
1. Uvod
Zašto smo se odlučili za proučavanje plazme? Najprije nas je fascinirala plazma kugla koju
smo vidjeli u kabinetu fizike te smo igrajući se s njom uočili neka njezina zanimljiva svojstva. A kad
smo počeli istraživati što je plazma uvidjeli smo da plazma čini više od 99% sve materije na Zemlji i
gotovo 99,9% materije u svemiru, što ju čini vrlo zanimljivom za proučavanje.
Plazma, osim što ju pronalazimo u prirodi kao polarnu svjetlost, Sunčeve bljeskove, munje -
često se koristi i u industriji. Zbog velikog raspona temperature i gustoće koju može postići koristi se u
raznim tehnološkim procesima, na primjer za rezanje metala, zavarivanje, eliminaciju otpadnih tvari,
sterilizaciju medicinske opreme i umetaka, pročišćavanje zraka i još mnogim drugim procesima koji
koriste neku vrstu plazme.
Slika 1. Munja kao prikaz plazme u prirodi [1]
1.1. Što je plazma?
Plazma je naziv za ionizirani plin, tj. često se kaže da je plazma kvazineutralan plin sastavljen
od ioniziranih i neutralnih čestica koje pokazuju skupno međudjelovanje čestica zasnovanih na
Coulombovoj sili [8]. Smatra se posebnim agregatnim stanjem zbog različitih svojstava u odnosu na
krutine, tekućine i plinove. Plazma je električki neutralno stanje pošto se sastoji od jednakog broja
pozitivno i negativno električki nabijenih čestica. Čestice koje se gibaju, a električki su nabijene,
stvaraju električnu struju i magnetsko polje. Nema određen oblik niti volumen, a zatvaranjem u
posudu poprima vlaknastu strukturu. Usklađenost plazme definira se Debyevom duljinom. Debyeva
duljina opisuje doseg električnog polja nekog naboja u plazmi [3].
Gledajući kroz povijest, već je grčki filozof Empedoklo prepoznao postojanje četiri elementa
tj. oblika materije - vodu, zemlju, zrak i vatru, kao što danas plazmu smatramo četvrtim agregatnim
stanjem. Prvi je plazmu opisao Sir WilliamCrookes 1879. godine, nazvao ju je materijom koja
5
zrači.Češki filozof Jan Evangelista Purkinije sredinom 19. stoljeća opisao je prozirnu tekućinu koja
preostane nakon što s iz krvi uklone sve čestice, te ju je nazvao plazma. 20- ih godina 20. stoljeća
američki znanstvenik Irving Langmuir (1881.-1957.) je predložio da se elektroni, ioni i neutralne
čestice u ioniziranom plinu, mogu na sličan način smatrati „krvnim česticama“ u nekakvom tekućem
mediju. Kasnijim se istraživanjima pokazalo da takav medij ne postoji, no termin plazma zadržao se i
dalje [1].
Plazma nastaje dovođenjem energije plinu, npr. dodavanjem visokoenergetskih čestica u plin
ili njegovim zagrijavanjem na visokim temperaturama. U kontroliranim uvjetima plazma se najčešće
dobiva pomoću električnih izboja, tj. pomoću električne energije (energija se prenosi na elektrone u
plinu).
Za visoki stupanj ionizacije potrebne su i visoke temperature, mjeri se u Kelvinima ili
elektronvoltima. Na osnovu relativnih temperatura elektrona, iona i neutralnih atoma, plazme se mogu
razlikovati kao termičke i netermičke. Termičke plazme imaju elektrone i ione otprilike na istoj
temperaturi – oni su u toplinskoj ravnoteži. Netermičke plazme, s druge strane, imaju elektrone visoke
temperature, a ione i neutralne čestice s niskom temperaturom (sobna temperatura). [2]
1.2. Plazma kugla
Plazma kuglu je prvi otkrio Nikola Tesla 1894. godine prilikom istraživanja svojstava visokih
napona. Kugla je obično od stakla unutar kojeg se nalaze različiti plinovi (najčešće helij i neon ili
ksenon i kripton) pod jako niskim tlakom, te kroz nju prolazi visokofrekventna izmjenična struja od 35
kHz (2 do 5 kV). Unutar kugle nalazi se Teslina zavojnica (Teslin transformator). Teslina zavojnica je
uređaj kojim se preko elektromagnetske indukcije proizvodi visoki napon vrlo velike frekvencije [3].
Kod približavanja ruke ili dodira mi mijenjamo visokofrekventno polje te se zbog toga može vidjeti
da niti plazme dolaze na mjesto dodira naše ruke i kugle. Struja koja teče kroz plazmu stvara
elektromagnetsko polje koje staklo iako je izolator ne sprečava u širenju, ali zato staklo preuzima
ulogu izolatora kod električnog kondenzatora, koji se stvara između plinova i ruke. Kod upotrebe
kugle moramo biti pažljivi s električnim uređajima jer kod njih visoki napon može stvoriti električni
naboj na uređaju.[9]
6
Slika 1.2.Plazmena kugla – vlastita fotografija
1.3. Korona izboji
Korona izboj je električni izboj koji se događa zbog ionizacije fluida koji okružuje električnu
nabijenu elektrodu. Taj proces obuhvaća visoko nabijenu elektrodu koja zbog svog visokog napona
ionizira zrak oko sebe te na taj način stvara područje plazme oko same elektrode. Izboj se pojavi kada
je električno polje oko elektrode dovoljno jako, ali ne dovoljno jako da izbaci iskru prema bližem
metalnom predmetu.
Izboj se obično pojavljuje kod zakrivljenih dijelova elektrode kao što su oštri vrhovi, žice ili
rubovi nekakve metalne plohe. To je zbog toga što se kod zakrivljenih dijelova pojavljuje veći
potencijal pa se zrak prvo ionizira oko tih dijelova elektrode. Ako je vrh elektrode oštar tada je na tom
mjestu električno polje puno jače nego bilo gdje drugdje pa se samo zrak oko vrha ionizira. Prepozna
se po plavo-ljubičastoj boji koja izlazi iz elektroda pod visokim naponom. Razlikuju se pozitivni i
negativni korona izboji. To se određuje po polaritetu naboja na zakrivljenom dijelu elektrode. Razlika
između pozitivnog i negativnog izboja su veoma velike što se pripisuje razlici u masi elektrona i
pozitivno nabijenih iona. Spontani korona izboji nisu poželjni jer mogu trošiti snagu sustava s visokim
naponom.
Također može proizvesti i kemijske spojeve koji mogu biti štetni, primjer takvog spoja bio bi
ozon. Kod negativnog korona izboja proizvodi se mnogo više ozona. Kontrolirani korona izboji
koriste se kod ispisa štampačima, različitih filtriranja i sličnih postupaka.
7
1.4. Električno polje
Svojstvo električnog polja očituje se njegovu djelovanju na naboj stanovitom silom.
Kvalitativno to svojstvo opisuje veličina koja se naziva jakost polja. Jakost polja E u nekoj točki polja
jednaka je omjeru veličine sile F koja djeluje na naboj Q` smješten u promatranoj točki polja i veličine
tog naboja opisuje formula.[5]
`Q
FE (1.1.)
Električno polje definirano je kao svojstvo prostora oko nabijene čestice. Mjerna jedinica
prema SI je volt po metru (V/m). Električno polje se predočava pomoću silnica.
Za nabijenu metalnu kuglu vrijedi da se polje stvara oko kugle na udaljenosti R od središta
kugle, što se opisuje formulom:
2R
QkE (1.2.)
U unutrašnjosti metalne šupljeg tijela električno polje jednako je nuli.
Električno polje kugle s plazmom je specifično jer je posljedica izmjeničnog napona visoke
frekvencije nastalog u Teslinom transformatoru. Pri tome nastaju elektromagnetski valovi, a nastalo
električno polje je oscilirajuće. Prema literaturi takvo polje ovisi također o kvadratu udaljenosti od
središta kugle:
2
1
RE (1.3.)
Vezu između električnog polja i napona može se opisati jednadžbom
d
UE (1.4.).
8
1.5. Cilj rada i hipoteze
Naše istraživanje ima dva osnovna cilja. Prvi je proučavanje plazme nastale u kugli s plazmom
- mjerenje električnog polja kugle s plazmom i uočavanje efekata koje plazma proizvodi u interakciji
s drugim tijelima. Drugi je cilj pokušati dobiti plazmu u školskim uvjetima bez upotrebe plazma kugle
te istražiti uvjete u kojima je to moguće.
Hipoteze koje smo postavili su slijedeće:
1. Električno polje kugle s plazmom opada s kvadratom udaljenosti, jednako u svim smjerovima,
vertikalno i horizontalno u odnosu na ravninu podloge na kojoj je kugla.
2. Na mjerenje električnog polja utjecat će veličina korištene elektrode pri mjerenju. Pretpostavljamo
da će veća površina elektrode deformirati električno polje kugle.
3. Na mjerenje električnog polja utjecat će blizina vodiča (metala ili tijela čovjeka).
4. O obliku vrha elektrode, tj. o zakrivljenosti plohe jako ovisi oblik nastale korone.
9
2. Eksperimentalni dio
2.1. Aparatura
Za mjerenje električnog polja plazma kugle smo koristili osciloskop, metalni stalak s
hvataljkom, milimetarski papir, drveni stalak i za pričvršćivanje ljepljivu vrpcu. Plazma kugla
napona12V(500mA) i dimenzija 20cmx20cmx29cm. Za detektiranje i mjerenje električnog polja
koristili smo osciloskop HAMEG HM 203-6 20 MHz.
Za drugi dio rada, da bismo dobili plazmu bio nam je
potreban jako visoki napon koji smo dobili pomoću katodne
cijevi iz starog televizora. Izlazni napon katodne cijevi
iznosi 25,2 kV(Slika 2.1.2). Uz stalni nadzor mentora taj smo
napon dovodili na elektrodu, a kao uzemljenje koristili smo
metalnu šipku koju se zabode direktno u tlo. Također izradili
smo drveno postolje na koje je bila pričvršćena žica za visoki
napon i uzemljenje spojeno na metalnu ploču (Slika 2.1.3.).
Dimenzije iznose: duljina 45cm, širina 28cm, dok je veličina pleksiglasa koji se nalazi na
drvenoj dasci 30x21cm.Visina okomite daske je 15x15cm, a pomične drške 28x5x2cm. Na pomičnu
dršku pričvršćena je metalna ploča veličine 15x15cm.
Prije izvođenja mjerenja uvijek smo pazili da poduzmemo sve mjere sigurnosti te smo radili uvijek uz
nadzor mentorice.
Slika 2.1.2. Napajanje
Slika 2.1.1.Osciloskop HAMEG HM 203-6 20MHz
Slika 2.1.3. Drveno postolje
10
2.2. Kvalitativno razmatranje električnog polja
Prije samog mjerenja naš je zadatak bio dobro promotriti plazma kuglu nakon što je uključimo
u potpunom mraku, da bismo što bolje mogli opisati što se događa s filamentima u plazma kugli u
različitim uvjetima ili na njenoj površini – kad je ruka na kugli, kad se na kuglu stavljaju razni
materijali, vodiči i izolatori.
Pregled naših opažanja prikazan je u tablici (Tablica 3.1.).
U drugom dijelu našeg rada dobili smo plazmu pomoću visokog napona iz katodne cijevi TV-
prijemnika. Kao pozitivnu elektrodu koristili smo žice različitih debljina i oblika vrha same žice, a
pokušali smo i s različitim kombinacijama šiljaka od aluminijske folije. Upotrijebili smo i kuglice
raznih promjera da bismo imali različitu zakrivljenost plohe na kojoj očekujemo korona izboj.
Dobivenu plazmu fotografirali smo fotoaparatom tipa Panasonic u potpunom mraku uz ekspoziciju 10
sekundi za sve slučajeve koje smo snimali, jer se to vrijeme pokazalo kao optimalno da u objektiv uđe
dovoljno svjetla i da dobijemo upotrebljivu fotografiju. Nastojali smo da snimanje objekta bude na
jednakoj udaljenosti koristeći stalak i stalnu poziciju fotoaparata, no kasnije kod obrade fotografija
uvidjeli smo da je očito automatsko zumiranje podešavalo u nekim situacijama snimku pa postoje
male razlike. Dobivene fotografije obradili smo pomoću astronomskog programa SUBARU Image
Procesor:Makali`i [12].
Pregled tih zapažanja i obrade fotografija prikazan je u tablici (Tablica 3.2.).
2.3. Metode mjerenja električnog polja plazma
kugle
Mjerenja smo vršili pomoću osciloskopa HAMEG HM 203-6 20MHz. Najprije smo
proučili kako funkcionira osciloskop i kako mjeriti i očitavati napon na y-osi i vrijeme na x-
osi.
Radi bolje stabilnosti plazma kuglu smo ljepljivom trakom pričvrstili za stol. Na stol
smo pričvrstili i milimetarski papir duljine 70 cm na kojem je bilo dodatno označeno svakih 5
cm radi lakšeg očitavanja udaljenosti. (Slika 2.3.1.)
Slika 2.3.1. Princip mjerenja električnog polja plazma kugle.
11
Žicu koja je služila kao proba spojili smo s osciloskopom i pričvrstili na drveni stalak visine
19 cm. Zatim smo ga pomicali po milimetarskom papiri za svakih 5 cm osciloskopom mjerili visinu
krivulja po y-osi pomoću čega smo mogli izračunati napon. Početna udaljenost (0 cm) je ona kod koje
se vrh probe dodiruje s površinom plazma kugle.
Svako mjerenje uz različite uvjete mjerenja izvodili smo pomicanjem probe na četrnaest
udaljenosti (0cm, 5cm,10 cm,…65 cm) u horizontalnom smjeru, u ravnini stola. Kod prvog mjerenja
probu smo rukom pridržavali na drvenom stalku, dok smo drugo mjerenje vršili na isti način, ali bez
pridržavanja probe tako da naše tijelo bude barem pola metra od same kugle. Također u blizini kugle
ne smije biti drugih metalnih predmeta koji bi ometali električno polje kugle, stoga smo elektrodu
pričvrstili na drveni stalak.
Kod drugog tipa mjerenja koristili smo aluminijsku foliju od koje smo izradili elektrode
dimenzija 5x5 cm, 10x10 cm i 15x15 cm. Princip rada bio je isti kao i kod prvog tipa mjerenja,
pomicali smo različite elektrode na različite udaljenosti od površine plazma kugle i očitavali
vrijednosti napona na osciloskopu.
Kod trećeg tip mjerena koristili smo metalni stalak visine 85 cm s hvataljkom. Hvataljkom
smo primili drvenu letvu duljine 70 cm na koju smo pričvrstili probu. Taj nam je stalak omogućio
vršenje mjerenja tako da probu pomičemo vertikalno prema gore, okomito na ravninu stola, na
različite udaljenosti, a pri tome smo opet pazili da metalni stalak bude udaljen od površine kugle da ne
remeti električno polje. (Slika 2.3.2.)
Slika 2.3.2. Prikaz vertikalnog mjerenja električnog polja plazma kugle.
12
3. Rezultati mjerenja
Rezultate kvalitativne analize plazme u obliku iskri koje nastaju u plazma kugli prikazali smo
u tablici koja slijedi. Opisali smo vizualna opažanja za različite uvjete kojima smo izložili kuglu.
Tablica 3.1. Rezultati kvalitativnih opažanja plazma kugle
OPIS POKUSA REZULTATI POKUSA
1.
Promatranje pravilnosti u formaciji i nastajanju,
kretanju i nestajanju iskri unutar plazma kugle.
Područja u kojem nastaju i nestaju iskre. Način
pomicanja i njihov oblik.
Nastaju s donje strane zavojnice i kreću se
prema gore, prema površini kugle. Kad dođu do
stakla iskre nestaju. 2/3 iskre je krivudavo, a
1/3 (gornji dio) se često grana na 2 ili 3 nove
iskre.
2.
Promatranje iskri unutar kugle u slučaju kad se
stavlja ruka sa strane ili na vrh kugle. Uočavanje
razlika u odnosu na prethodni slučaj.
Iskre na dijelu gdje držimo ruku se skupljaju u
jednu intenzivniju od drugih i cijelo vrijeme je
usmjerena prema ruci, kreće se od dolje prema
gore. Broj ostalih iskri je značajno manji i one
se kreću od gore prema dolje po cijeloj kugli.
Stavljanjem ruke na vrh broj iskri je još manji,
a jedna intenzivnija je uvijek usmjerena prema
ruci.
13
Nakon kvalitativne analize mjerili smo električno polje u prostoru oko kugle, a koje je
posljedica elektromagnetskog zračenja nastalog u kugli.
Rezultati mjerenja električnog polja plazma kugle vidljivi su u sljedećim tablicama i
grafovima. Vrijednost jakosti električnog polja predstavlja srednju vrijednost tri mjerenja za pojedini
oblik elektrode u određenim uvjetima. Primjer tablice s mjerenjima vidljiv je u Tablici 3.2.
OPIS POKUSA REZULTATI POKUSA
3.
Što se događa stavljanjem različitih predmeta na
kuglu (papir, drvo, plastika)?
Stavljanjem drvene daske na površinu kugle
bez pridržavanja ne uočavamo nikakve
promjene. Ako dasku pridržavamo rukom može
se uočiti veliki broj iskri koje se granaju. Kad
dodirujemo kuglu ravnalom ili papirom ne
mogu se uočiti nikakve promjene.
4.
Sve ponovimo pomoću aluminijske folije.
Stavljanjem aluminijske folije na vrh kugle ne
uočavamo nikakvu značajniju promjenu. Kad ju
pridržimo rukom može se vidjeti pokoja iskra
između ruke i folije, a iskre su se razgranale po
cijeloj foliji.
5.
Što se događa stavljanje ruke ili željeznog predmeta
na aluminijsku foliju?
Mogu se uočiti iskre koje preskaču između
površine folije i predmeta.
6.
Koje se promjene događaju stavljanjem
aluminijskih folija različitih veličina?
Veličina utječe na količinu munja koje su
usmjerene prema foliji.
7.
Aluminijsku foliju stavimo preko cijele kugle.
Prislonimo vrhove prstiju na kuglu .
Stavljanjem velikog komada aluminijske folije
uočavamo jednu iskru koja je usmjerena prema
površini kugle (prema gore). Iz jedne se kugle
granaju mnoge druge. Prislanjanjem vrhova
prstiju isto se vidi jedna svjetlija i jača iskra, a
ostale se granaju na ostale prste iz te jedne
(također se može osjetiti blago peckanje na
vrhovima prstiju).
8.
Površini kugle približimo štednu žarulju ili cijev
punjenu plinom.
Cijevi i žarulje punjene plinom svijetle kada se
nađu u električnom polju kugle jer
elektromagnetski valovi pobuđuju plin na
svijetljenje. Udaljavanjem od površine kugle
intenzitet svijetla je sve slabiji, jer je i jakost
električnog polja sve manja.
14
Tablica 3.2. Podaci mjerenja električnog polja plazma kugle u horizontalnom
smjeru za aluminijsku foliju 5x5cm
br.mj. d/m U/V E/NC
-1
1 2 3 1 2 3
1. 0,00 preveliki preveliki preveliki #VALUE! #VALUE! #VALUE!
2. 0,05 110,00 136,00 134,00 2200,00 2720,00 2680,00
3. 0,10 70,00 80,00 84,00 700,00 800,00 840,00
4. 0,15 52,00 56,00 60,00 346,67 373,33 400,00
5. 0,20 38,00 42,00 44,00 190,00 210,00 220,00
6. 0,25 30,00 34,00 33,50 120,00 136,00 134,00
7. 0,30 24,00 26,00 21,50 80,00 86,67 71,67
8. 0,35 20,00 21,00 20,50 57,14 60,00 58,57
9. 0,40 17,00 17,00 18,00 42,50 42,50 45,00
10. 0,45 14,00 14,00 15,00 31,11 31,11 33,33
11. 0,50 12,00 11,50 13,00 24,00 23,00 26,00
12. 0,55 10,00 10,00 10,50 18,18 18,18 19,09
13. 0,60 8,00 8,00 9,00 13,33 13,33 15,00
14. 0,65 6,00 6,60 6,00 9,23 10,15 9,23
Na temelju tabličnih podataka u Excelu smo grafički pokazali ovisnost električnog polja o
udaljenosti elektrode od plazma kugle te napravili usporedbu za različite slučajeve.
Slika 3.1. Grafički prikaz mjerenja električnog polja plazma kugle pomoću aluminijske folije
različitih dimenzija (5x5cm, 10x10cm i 15x15cm) u horizontalnom smjeru.
y = 3460,7x-2,157
y = 1826,2x-1,745
y = 1173,8x-1,496
0,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
3000,00
3500,00
4000,00
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65
E/N
C-1
d/m
Al-folija horizontalno
al.folija 15x15
al.folija 10x10
al.folija 5x5
Potencija (al.folija 15x15)
Potencija (al.folija 10x10)
Potencija (al.folija 5x5)
15
Slika 3.2. Grafički prikaz mjerenja električnog polja plazma kugle pomoću aluminijske folije različitih
dimenzija (5x5cm, 10x10cm i 15x15cm) u vertikalnom smjeru.
Slika 3.3. Grafički prikaz horizontalnog i vertikalnog mjerenja električnog polja plazma kugle
pomoću aluminijske folije veličine 5x5 cm.
U grafovima je vidljiva i funkcija koja najbolje odgovara dobivenim rezultatima, a što
nam omogućava da provjerimo naše početne hipoteze da će električno polje kugle opadati s
kvadratom udaljenosti. Također prikaz više različitih mjerenja u istom koordinatnom sustavu
pomaže da bolje uočimo vezu električnog polja i različitih uvjeta u kojima ga promatramo.
y = 2645x-1,955
y = 1535,4x-1,549
y = 990,92x-1,253
0,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
3000,00
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
E/N
C-1
d/m
Al-folija vertikalno
al.folija15x15
al.folija 10x10
al.folija 5x5
Potencija
(al.folija15x15)Potencija (al.folija
10x10)Potencija (al.folija
5x5)
y = 3052,8x-2,036
0,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
3000,00
3500,00
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
E/N
C-1
d/m
Al-folija 5x5
vertikalno
horizontalno
Potencija (horizontalno)
16
Slika 3.4. Grafički prikaz horizontalnog i vertikalnog mjerenja električnog polja plazma kugle
probom (žica sa šiljastim vrhom) kada u blizini nema drugih vodiča.
U prethodnim grafovima može se uočiti da je električno polje na jednakoj udaljenosti od
središta kugle jednako u svakom smjeru, mala odstupanja mogu se pripisati pogreški u mjerenju i
očitavanju s osciloskopa.
Slika 3.5. Grafički prikaz horizontalnog mjerenja bez i u blizini vodiča.
y = 672,63x-2,025
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
E/N
C-1
d/m
Proba bez pridržavanja
horizontalno
vertikalno
Potencija (horizontalno)
0
100
200
300
400
500
600
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65
E/N
C-1
d/m
Proba - horizontalno
pridržavanje
bez pridržavanja
17
Prema očekivanju na slici 3.5. može se uočiti razlika u jakosti električnog polja kada u blizini
plazma kugle postoji vodič (ljudsko tijelo) i kada se elektrode pridržavaju izolatorom.
Promatranje korona izboja na različitim žicama zabilježeno je fotoaparatom u mračnoj
prostoriji uz ekspoziciju 10 sekundi za sve slučajeve te su fotografije analizirane programom SUBARU
Image Procesor:Makali`i [12] koji se koristi u astronomiji za analizu sjaja nekih objekata. Pri tome se
mogu uočiti na obrađenim fotografijama linije sjaja koje predstavljaju silnice električnog polja, a
pripadni grafovi opisuju krivulje sjaja obzirom na udaljenost od vrha žice. Vrh žica promatran je pod
povećalom te je prikazan crtežom. U slijedećoj tablici prikazani su rezultati analize šest
karakterističnih fotografija gdje se može uočiti veza između oblika tj. zakrivljenosti vrha žice i oblika
nastale plazme.
Tablica 3.3. Prikaz fotografija plazme i krivulja sjaja u odnosu na oblik i zakrivljenost vrha žice za
šest različitih žica
br. Fotografije korona izboja i pripadni grafovi sjaja
1
oblik vrha žice – šiljasti vrh
(pribadaća promjera 0,18 mm sa šiljastim tankim vrhom)
L/mW
18
2
oblik vrha žice
(čelična žica 0,20 mm, izvučena i prekinuta žica s tupim vrhom)
3
oblik vrha žice
(čelična žica 0,22 mm, izvučena i prekinuta žica s tupim vrhom)
L/mW
19
4
oblik vrha žice
(zaobljeni vrh - mala čelična kuglica promjera 3 mm)
L/mW
L/mW
20
5
oblik vrha žice
(čelična žica – konus, prividno kao da ima dva vrha)
6
L/mW
21
oblik vrha žice
(snop bakrenih tankih žica)
L/mW
22
4. Rasprava
Na slici 3.1. može se zamijetiti kako aluminijska folija površine 15x15 cm daje najveću
vrijednost električnog polja te ju zatim slijede 10x10 i 5x5 cm. Veća površina elektrode koja je
također vodič, stvara svoje električno polje kad se nalazi u blizini drugog polja te tako utječe na veći
iznos ukupnog polja u prostoru gdje ga mjerimo. Iz grafa također vidimo da električno polje kod
folije s najvećom površinom najbrže opada s kvadratom udaljenosti. Time potvrđujemo svoju prvu
hipotezu. Funkcije koje su iscrtane za dobivene krivulje potvrđuju opadanje električnog polja s
kvadratom udaljenosti. Također vidimo da za ostale elektrode postoji padajuća funkcija što se dešava
zbog manjih deformacija električnog polja koje se pojavljuju kod manjih površina što možemo vidjeti
iz dolje priložene skice.
Slika 3.6. Prikaz utjecaja elektroda različitih površina na električno polje.
Mjerenja iz vertikalne pozicije možemo vidjeti na slici 3.2. gdje možemo uočiti da se događa
sličan pad električnog polja kao i kod horizontalnog slučaja. Polje također opada s kvadratom
udaljenosti, dok za manje površine elektroda opadaju sporije zbog manjih deformacija u električnom
23
polju. Iz jednakih rezultata možemo zaključiti da vertikalna i horizontalna pozicija ne utječu značajno
na vrijednost polja, odnosno to bi značilo da na jednakoj udaljenosti radijalno od središta kugle polje
ima jednaku jakost u svim smjerovima. To odgovara polju oko metalne kugle, što smo očekivali i u
našem slučaju.
U grafu na slici 3.3. može se uočiti kako se odnose mjerenja u kojima nam kao elektroda služi
aluminijska folija dimenzija 5x5 kada ju udaljavamo horizontalno i vertikalno. Možemo uočiti da su
rezultati slični te svako odstupanje možemo pripisati nesavršenosti mjerenja. Iz toga možemo iščitati
da je električno polje u horizontalnom i vertikalnom smjeru jednako čime potvrđujemo drugi dio prve
hipoteze.
Iz slike 3.4. kao i sa prethodne uočava se usporedba horizontalnog i vertikalnog mjerenja bez
blizine vodiča. Vidi se kako su rezultati slični čime još jednom potvrđujemo da se polje oko plazma
kugle mijenja kao oko nabijene metalne kugle.
Slika 3.5. nam pokazuje razliku kod mjerenja u blizini vodiča i kad on nije prisutan. Vidimo
da blizina vodiča utječe na polje tako da se ukupna vrijednost električnog polja smanjuje. Tom smo
usporedbom potvrdili našu treću hipotezu. Stoga je pri mjerenjima trebalo posebice paziti da u blizini
nema predmeta koji remete električno polje.
Problemi kod izvođenja eksperimenata pojavili su se kod očitavanja rezultata s osciloskopa
zbog poteškoća kod očitavanja razlike između vrha i dna amplitude vala. Da bismo pogrešku sveli na
minimum vršili smo set od tri mjerenja za svaki promatrani slučaj. Na rezultate mjerenja su mogli
imati utjecaj obližnji metalni predmeti bez obzira na njihovu udaljenost. Elektroda od aluminijske
folije nije savršeno okomita na radijus plazma kugle (može se savinuti na nekim dijelovima) što
također može utjecati na rezultate. Veći problemi javljali su se kod mjerenja u vertikalnom smjeru
zbog poteškoća kod određivanja točne udaljenosti i održavanjem elektrode u okomitom položaju te
smatramo da zbog toga dolazi do manjih odstupanja rezultata vertikalnog i horizontalnog mjerenja.
Položaj osciloskopa i uzemljenja također imaju svoj utjecaj na rezultate, ali zbog stalnog položaja
smatramo da su oni zanemarivi. Smatramo da se većinu tih problema može riješiti u bolje
kontroliranim uvjetima i sa boljom aparaturom.
Pomoću vrlo visokog napona od 25 kV uspješno smo dobili plazmu u školskim uvjetima, što
je posljedica korona izboja na vrhu elektrode u jakom električnom polju. Promatranjem i
fotografiranjem plazme u potpunom mraku s ekspozicijom 10 sekundi dobili smo zanimljive
fotografije na kojima se mogla uočiti povezanost između sjaja i oblika nastale plazme obzirom na
oblik vrha žice tj. elektrode koju smo koristili. U tablici 3.3. prikazani su rezultati obrade dobivenih
fotografija. Radi lakše usporedbe pokušali smo krivulju sjaja nacrtati za iste udaljenosti od vrha
elektrode što pokazuje crvena strelica. Pri određivanju te udaljenosti moguća su manja odstupanja
budući je ponekad bilo teško procijeniti gdje se zaista nalazi sam vrh žice.
Primjećuje se da šiljati vrh žice daje najuži snop plazme čiji sjaj (luminozitet) na presjeku koji
je prikazan zelenom crtom najmanji u odnosu na žice sa većim polumjerom zakrivljenosti vrha.
24
Na šiljastom vrhu nakuplja se više naboja što znači jače električno polje, pa se izboj između katode i
anode također dogodi na većoj udaljenosti nego kod drugih oblika elektrode.
Zanimljiv je slučaj žice koja daje dva snopa plazme, što nas je u početku iznenadilo, no
promatranjem vrha žice povećalom uočili smo konusni oblik vrha čiji rubovi strše pa je efekt kao da
promatramo plazmu nastalu na dva šiljasta vrha jedan blizu drugog. U usporedbi s luminozitetom
prve žice sa jednim šiljastim vrhom možemo zapaziti otprilike dvostruku vrijednost maksimalnog
sjaja. Veći broj žica na posljednjoj elektrodi također daje i najveću vrijednost maksimalnog sjaja
korone.
Kada smo pokušali dobiti korona izboj s kuglicama različite veličine, to nam nije uspjelo za
kuglice većeg promjera, a veći broj šiljaka koji smo htjeli dobiti rezanjem folije također se nije
pokazao dobrim jer je aluminijska folija mekana i kod rezanja se stvaraju male nepravilnosti na
rubovima pa svaka ta nepravilnost ili neravnina stvara korona izboj (slika 3.6.).
Slika 3.6. Korona izboj na šiljcima nastalim rezanjem aluminijske folije
Naše daljnje istraživanje plazme odnosno korona izboja ići će u smjeru dobivanja još boljih
fotografija da bismo mogli napraviti detaljniju analizu i da pokušamo napraviti simulaciju električnog
polja za vrlo tanku žicu kako bismo mogli uspoređivati s dobivenim fotografijama.
25
5. Zaključak
Cilj prvog dijela rada bio je pokazati na koji se način električno polje ponaša u blizini vodiča,
kod različitih udaljenosti u vertikalnom i horizontalnom smjeru, i na koji način vrh elektrode ovisi o
nastaloj koroni. U drugom dijelu rada provjeravali smo na koji način korona izboj ovisi o
zakrivljenosti vrhova elektrode.
Od plazma kugle smo postupno udaljavali horizontalno i vertikalno različite elektrode kao što
su aluminijske folije raznih dimenzija i probu koju smo pridržavali ili ne. Na taj način smo pomoću
osciloskopa izmjerili napon te izračunali električno polje na određenoj udaljenosti. Kod pridržavanja
probe rukom vidjeli smo da se ukupno polje smanjuje. Električno polje u vertikalnom i horizontalnom
smjeru mijenja se na jednak način. Potvrdili smo hipotezu da električno polje plazma kugle opada s
kvadratom udaljenosti slično kao polje metalne nabijene kugle.
Za dobivanje izboja korone koristili smo televizor kao izvor napona od 25 000V koji smo
doveli na različite oblike elektroda te smo ih tada približavali metalnoj ploči koja je bila uzemljena.
Promatrali smo razlike utjecaja različite zakrivljenosti vrhova elektroda na izboj korone. Usporedbom
fotografija može se uočiti razlika u sjaju nastale plazme za šiljaste i zaobljene vrhove, a također što je
veća zakrivljenost vrha elektrode prije će doći do izboja korone.
Ovom temom nastaviti ćemo se baviti jer želimo napraviti još bolje fotografije za analizu
nastale plazme te kompjutersku simulaciju koja će nam omogućiti uspoređivanje plazme oko savršeno
tanke žice i dobivenih fotografija.
26
6. Popis literature
[1] http://www.usstcorp.com/technology.html
[2] http://eskola.hfd.hr/proc_za_vas/proc-21/proc21.htm
[3] http://hr.wikipedia.org/wiki/Plazma
[4] http://www.phy.pmf.unizg.hr/~dandroic/nastava/diplome/drad_denis_gagic.pdf
[5] http://petarp.smugmug.com/Fizika/i-XHgnMf7
[6]Mikulčić, Branka; Vernić, Elza; Varićak, Milena. Zbirka zadataka iz fizike: Elektricitet.
Zagreb: Školska knjiga, 2005., 146.-148.
[7] Milošević, Slobodan, PLAZMA, SVJETLOST I SPEKTROSKOPIJA, Institut za fiziku,
Zagreb,(uz radionicu, Zadar 2008, draft verzija 02)
[8] Nicholas R. Guilbert, Deconstructing a Plasma Globe, ThePhysicsTeacher37, 11 (1999)
[9] http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/OFP1-
POVIJESNI_PREGLED_FIZIKE_PLAZME2013.pdf
[8] Vršnak, Bojan; Temelji fizike plazme, Školska knjiga, 1996.
[9] http://hr.wikipedia.org/wiki/Plazma_kugla
[10] http://fusedweb.llnl.gov/cpep/
[11] Aaron S. Gibson, Jeremy A. Rioussety, andVictor P. Paskoz, Minimum
breakdownvoltages for coronadischargeincylindricalandspfericalgeometries, PlasmaPhys.
Rep., 31, 75 (2005)
[12] http://makalii.mtk.nao.ac.jp/).