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EFECTOS DE LA LAMPARA DE PLASMA

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Feria de Ciencia y Tecnología
Dirección Regional de Educación de Liberia
Circuito 04
Institución
Liceo Laboratorio de Liberia
Nombre del Proyecto
“Efectos de la electricidad en la Lámpara de Plasma”
Nivel
Noveno Grado
Categoría:
Demostración
Área Temática: Física y Matemática
Sustentantes:
José Enrique Vidaurre Vásquez
Yahomi Herrera Jara
Arsley Valeria Villareal Cubillo
Nombre del Tutor: Aréliz Pérez Romero
Teléfono del tutor: 83939385
Correo electrónico de la tutora: [email protected]
Teléfono del líder del proyecto: 85479396
Año: 2018
“EFECTOS DE LA
ELECTRICIDAD
EN LA LÁMPARA
DE PLASMA”
2
CONTENIDO
AGRADECIMIENTOS
4
RESUMEN
5
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
6
OBJETIVOS
7
OBJETIVO GENERAL
7
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
7
JUSTIFICACIÓN
8
MARCO TEÓRICO
9
EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD EN LA LAMPARA DE PLASMA
METODOLOGÍA
CRONOGRAMA
9
16
18
ANÁLISIS DE DATOS O RESULTADOS
19
CONCLUSIONES
20
RECOMENDACIONES
21
BIBLIOGRAFÍA
22
ANEXOS
23
3
AGRADECIMIENTOS
Se le agradece primero a Dios por permitir finalizar esta investigación.
Posteriormente, a nuestra tutora Arelis Pérez Romero por todo su apoyo brindado
los días compartidos y a nuestros padres, quiénes, en todo momento,
permanecieron constante con su solidaridad para culminar con éxito nuestro trabajo.
4
RESUMEN
Las bolas de plasma son globos que se iluminan con serpentinas de plasma
que irradian desde el centro hasta el borde del globo de cristal. Se pueden encontrar
en casi cualquier tienda de novedades, así como varios lugares en línea. Además
de simplemente lucir bonitas, también demuestran algo de física también.
De acuerdo con PowerLabs, el plasma, a menudo definido como “el cuarto
estado de la materia”, es un “gas caliente ionizado”. En pocas palabras, un
plasma es un gas que contiene partículas cargadas como los electrones y los iones.
La aplicación de la tensión inicial a través de la fuente de alimentación crea un
voltaje
oscilante
secundario
sobre
el
electrodo.
Esto
crea
un
campo
electromagnético alternativo que mantiene a los electrones libres de moverse en el
interior. Como los electrones obtienen energía suficiente para romper con el
electrodo central, aceleran debido al campo electromagnético y la energía que
ganan. La luz que emana de una corriente de plasma es el exceso de energía de
los átomos que regresan a un estado de menor energía a un estado excitado. El
color de la luz depende del gas en el interior del globo.
5
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1. ¿Cuáles son los efectos de la electricidad en la lámpara de plasma y cómo
se manifiesta?
6
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
1) Investigar sobre el alto voltaje, sus características, peligros y las causas del por
qué la electricidad se mueve con el tacto.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1) Reconocer características y peligros del alto voltaje.
2) Describir las causas del por qué la electricidad se mueve con el tacto.
3) Inferir cómo es que la electricidad hace que el tacto pueda mover especie de
luces.
7
JUSTIFICACIÓN
Este proyecto se realiza con el fin de demostrar cómo interactúa un campo
eléctrico, con objetos conductores externos cómo lo puede ser una mano, a partir
de la investigación del científico Nikola Tesla quien tomó un tipo de esfera
incandescente con el elemento conductor suspendido y le aplicó alto voltaje,
creando así la descarga. Explicaremos sus peligros, causas, características y
aplicaremos los conocimientos adquiridos sobre circuitos eléctricos, para todo lo que
respecta a su previa elaboración.
8
MARCO TEÓRICO
EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD EN LA LÁMPARA DE PLASMA
Desarrollo del tema
La mezcla de gases inertes, que hay dentro de la bola de cristal de las lámparas de
plasma, da lugar a los distintos colores de los rayos centelleantes.
(teknicailuminación, 2013)
Lámpara de Plasma, Bola de Plasma o Esfera de Plasma.
La lámpara de plasma que conocemos fue inventada por Bill Parker, a partir
de los trabajos llevados a cabo en 1894 por el físico Nicola Tesla, que experimentó
con corrientes de alta frecuencia en tubos de cristal. Una lámpara de este tipo es,
por lo general, una esfera de cristal transparente, llena de una mezcla de gases
nobles (xenón, kriptón y/o neón) a baja presión, sobre el que se le aplica una
corriente alterna de alta frecuencia y alto voltaje (aproximadamente 35kHz y 2-5kV),
que es generada por un transformador de alta tensión. Una esfera más pequeña en
su centro funciona como un electrodo.
Los destellos centelleantes se producen por la ionización de los gases
encerrados, dando lugar a plasma (cuarto estado de la materia), similar a los rayos.
Esto se produce porque los electrones acelerados por el campo eléctrico creado por
el electrodo esférico central arrancan electrones de los átomos del gas noble que
hay en su interior, los cuáles, al recapturar otros electrones, emiten luz, lo que indica
la trayectoria que van siguiendo los primeros, hasta límites de la esfera de cristal,
donde el potencial eléctrico es menor.
Asimismo, el color de los rayos depende de la mezcla de los gases inertes
que hay en su interior.
9
La colocación de una mano cerca del cristal altera el campo eléctrico de alta
frecuencia, lo cual causa un único rayo dentro de la esfera en dirección al punto de
contacto.
Esto es así porque cuando se acerca cualquier objeto conductor a la esfera se
produce una corriente eléctrica; como el cristal no bloquea el flujo de corriente
cuando están implicadas altas frecuencias, actúa como el dieléctrico en un
condensador eléctrico formado entre el gas ionizado y, en este caso, la mano. En el
caso de acercar una bombilla fluorescente compacta (bombillas de bajo consumo),
el flujo de corriente ioniza a los electrones que se encuentran en el interior de la
propia bombilla, haciendo que se ilumine. (CienciaPopular, Bola de Plasma, 2008)
El plasma es un estado de la materia en el cual ésta se encuentra fuertemente
ionizada, es decir, con gran cantidad de "iones" (átomos eléctricamente no neutros).
En general se compone de iones positivos o "cationes" (átomos que han perdido
uno o más electrones), electrones "sueltos" y "aniones", que son iones negativos
(átomos a los que se les ha ligado algún electrón), y también el plasma se compone
de átomos eléctricamente neutros pero "excitados" (donde algunos de sus
electrones están en estados de mayor energía que la mínima), que se desexcitan
(decaen) emitiendo radiación electromagnética característica visible o bien, invisible
como ultravioleta (UV) y/o infrarroja (IR).
El fenómeno por el cual los átomos excitados de una substancia (que decaen
sucesivamente con distintas radiaciones electromagnéticas), emiten luz visible, se
denomina luminiscencia.
También es conocida como "luz fría", para distinguirla de otra forma de iluminación
que se produce según principios físicos diferentes: la irradiada por la agitación
térmica de los iones de la red de átomos del material, debida a la alta temperatura
de los filamentos incandescentes, cuyo espectro viene dado por la Ley de Radiación
de Planck.
10
La luz del pigmento de las luciérnagas y los colores del plasma de las auroras
boreales son dos ejemplos naturales de luz fría.
La esfera de plasma comercializada con nombres como "bola relámpago", "lámpara
fiesta" o "Party Plasma Ball", es una ingeniosa lámpara luminiscente popularizada
desde los años 80´s, que consta de un recipiente transparente en cuyo interior se
producen constantemente descargas eléctricas ("rayos") de ciertos colores. La
materia que compone estos rayos es un plasma luminiscente.
Tesla llamó a este invento Inert Gas Discharge Tube.
En la patente estadounidense 514,170 ("Incandescent Electric Light", 6 de febrero
de 1894), Nikola Tesla describe una lámpara de plasma. Esta patente es de una de
las primeras lámparas de alta intensidad. Tesla tomó un tipo de esfera
incandescente con el elemento conductor suspendido y le aplicó alto voltaje,
creando así la descarga.
El popular producto que se vende actualmente en todo el mundo fue inventado por
el artista Bill Parker mientras era estudiante en el MIT. Más tarde lo desarrolló
cuando era artista residente del Exploratium science museum. La tecnología
necesaria para hacer las mezclas precisas de gases de las esferas de plasma
actuales, especialmente los gases raros de alta pureza, no estaba a disposición de
Tesla. Para crear los vivos colores, la gama de movimientos y los complejos
patrones que aparecen en las lámparas de plasma actuales se usan estas mezclas
de gas, formas de cristal variadas y circuitos integrados.
Las lámparas de plasma están disponibles en multitud de formas, siendo las más
frecuentes esferas y cilindros, aunque haya muchas variaciones en su forma, una
lámpara de plasma es por lo general una esfera de cristal transparente, llena de una
mezcla de varios gases con alta presión y conducida por corriente alterna de alta
frecuencia y alto voltaje, generada por un transformador de alta tensión o una bobina
de Tesla en miniatura, un orbe más pequeño en su centro sirve como un electrodo,
emite serpientes de luz ultravioleta en realidad gas ionizado que se extienden desde
11
el electrodo interior hasta las paredes de la esfera de cristal, dando una apariencia
similar a múltiples y constantes relámpagos coloreados.
Después de haber "jugado" un poco con la esfera de plasma, se pueden resumir las
principales observaciones:
(1) Al encender la bola, inicialmente aparecen pocos rayos intensos, y aparecen en
la parte inferior. En la parte superior se ven rayos muy tenues, pero en un lapso de
unos segundos (5-10 s), empiezan a aparecer más y más rayos, llegando al estado
habitual de funcionamiento donde el recipiente se llena con unas 30 a 40 descargas.
(2) La esfera se puede ver llena de rayos sin esperar los 5s, si se enciende, apaga
y vuelve a encender rápidamente.
(3) Cuando no se toca la esfera, todos los rayos están entre las dos superficies
internas, la parte central y la esfera mayor.
(4) Los rayos emiten luz azul y se abren en los extremos con un color rosa-violeta
característico. El color no cambia gradualmente. Hay solo dos colores, bien
definidos, y cambian en un punto bien determinado del rayo, a casi un centímetro
(en esta lámpara) de la esfera exterior.
(5) Los rayos son inestables, se desplazan, ascienden, desaparecen, vuelven a
formarse y algunos se abren en dos antes de llegar a la superficie mayor. En
general, las divisiones de rayos se producen cerca de la esfera mayor, justo antes
de cambiar de azul al naranja. Los rayos que aparecen divididos aproximadamente
en la mitad, suelen ser dos rayos que colapsaron en uno, que durante un breve
instante están en este estado intermedio donde conservan un extremo de los dos
originales.
(6) Algunos rayos que se dirigen hacia la parte inferior, parecen "caer" en el agujero
interior, de unos 4 cm de diámetro.
(7) El extremo de cada rayo que llega a la parte central con el color rosa, está
rodeado de un círculo obscuro y a su vez, este círculo está rodeado del color
naranja. Esta zona de color está separada de las zonas de color de otros rayos, por
fronteras obscuras.
12
(7) Cuando se acerca la mano hasta casi tocar (o hasta tocar) la superficie, los rayos
se concentran y los más próximos desaparecen y se forma 1 ó 2 más intensos, y
pueden quedar algunos rayos alejados, en la zona opuesta.
(8) Los rayos concentrados "siguen" la mano y se abren hacia ella, tornando la
superficie de proximidad (o de contacto) del color violeta.
(9) Los rayos verticales que se forman en la parte superior cuando está la mano,
son bastante estables, mientras que todos los rayos que tienen alguna componente
horizontal, ascienden.
(10) Tocando la superficie en varios puntos al mismo tiempo, por ej. Con los dedos
de la mano separados, pueden observarse rayos azules entre los dedos. Son rayos
que no van hacia la superficie interior, sino que están sobre ella.
(11) El contacto o proximidad de un objeto metálico, tiene un efecto similar al de
hacerlo con la mano. En particular, en los rayos intensificados aumenta la longitud
azulada, mientras que el extremo naranja es más corto y se extiende en un área
mayor, dependiendo de la punta del objeto o dedo.
(12) Solo por proximidad a la esfera de plasma, se encienden tubos y ampolletas
fluorescentes.
(13) Muy cerca de la base de esfera de plasma que ha funcionado cierto tiempo, se
percibe el típico olor de aparatos eléctricos con alto voltaje.
Para que sirve
Estos aparatos de descarga gaseosa se han comercializado como objetos
decorativos modernos y originales, incluso usados en películas de cine. También se
usan en propagandas de ciertos productos que se colocan entre las descargas.
En los museos de ciencia y en mano de profesores, en general estos aparatos
también sirven como motivación científico-tecnológica, observando y estudiando el
comportamiento de gases sometidos a alto voltaje de alta frecuencia, donde se
13
pueden ver algunos fenómenos físicos como la conducción en gases, formación de
plasma, luminiscencia, ruptura dieléctrica, y acoplamiento capacitivo. También sirve
para "pinchar" a algún desprevenido, con una pequeña descarga eléctrica que
incluso puede llegar a producir olor a piel quemada.
De qué está hecho
La esfera de plasma es un aparato de alto voltaje y de alta frecuencia, y por lo tanto,
"puede sentirse alguna descarga" a través de la esfera de vidrio. Aunque en general
es inofensiva, como con todos los aparatos eléctricos, hay que tener mucho cuidado
en su uso, y no hay que desarmarla.
Como funciona
En la esfera de plasma se observan fenómenos eléctricos y luminosos que se
producen por conducción eléctrica en gases. Las descargas gaseosas también son
el principal principio de funcionamiento de aparatos como las pantallas de plasma,
tubos y ampolletas fluorescentes, ampolletas de neón, sodio y mercurio, y letreros
luminosos.
La esfera de plasma tiene una mezcla de gases a presión menor que la atmosférica
(p < 1 atm) sometidos a un alto voltaje alterno (AC). Por lo tanto, al encenderla
comienzan diversos fenómenos de conducción en gases: el campo eléctrico E
acelera los iones residuales (que siempre existen). En su camino chocan con
átomos neutros del gas, ionizándolos y excitándolos. Esto produce más portadores
de carga que a su vez, se aceleran y chocan ionizando y excitando más átomos.
Así se produce una verdadera "avalancha" de descargas que alcanza la condición
de "ruptura eléctrica", produciendo fenómenos de luminiscencia de color violeta
cerca de los electrodos, y en "rayos" azules que cruzan el interior de la esfera.
14
Además de las características observadas que se enumeran al principio, un aspecto
sorprendente es que los rayos se produzcan entre materiales que son "aislantes
eléctricos" (como el vidrio y el plástico). La clave de esto, es el voltaje de alta
frecuencia al que está sometido el gas. En estas condiciones no son necesarios los
electrodos en contacto directo con el gas. La conducción a través de materiales
como vidrio y plástico que son eléctricamente polarizables ("dieléctricos"), es posible
debido a la baja reactancia que ofrecen a la alta frecuencia. En la esfera de plasma,
el alto voltaje se aplica a través del vidrio del recipiente y del plástico de la base.
Precauciones
El campo de radiofrecuencia producido por las lámparas de plasma puede
interferir en aparatos electrónicos, al generar una carga estática en el dispositivo, y
también provoca el calentamiento de la esfera de cristal. Además, cuando se coloca
un metal sobre la superficie de cristal de una lámpara de plasma, se puede producir
un pequeño rayo, con el consiguiente riesgo de quemaduras.
Después de unos minutos de encendido constante, cerca de la esfera de
cristal suele acumularse ozono, a partir del oxígeno del aire, acelerándose si se
coloca la mano o cualquier objeto metálico sobre el cristal.
Tan sólo hay que tener una cosa en cuenta, cuando producimos plasma,
como consecuencia de una reacción química (combustión a altas temperaturas) se
forma dióxido de nitrógeno. Este gas afecta principalmente al sistema respiratorio,
al ser tóxico e irritante, por lo que se sugiere el uso de mascarilla y ayuda de un
adulto.
15
METODOLOGÍA
Se va a utilizar en esta investigación como categoría de trabajo: demostrativo
esta nos permite mediante una indagación teórica adquirir la información necesaria
y adecuada con la cual realizar el informe escrito.
Se realiza en varias etapas, las cuales se desarrollan de la siguiente manera:
1. Se selecciona un objetivo general y se plantea preguntas y objetivos
específicos en torno con el fin de investigar y desarrollar el trabajo.
2. Se extrae la información relevante para elegir las ideas principales
sintetizar, analizar y organizar los datos.
3. Identificar los diferentes conceptos de la lámpara de plasma, asimismo a
reconocer los procedimientos más importantes como los beneficios, usos
entre otros.
4. Consecutivamente se organiza una presentación escrita y posteriormente
una oral con su respectiva demostración para dar a conocer lo
investigado.
Materiales

Dos diodos que puedan soportar 400 voltios o más.

Una resistencia de 200 amnios que aguante 2 voltios y una resistencia de
100 amnios.

Un condensador de un microfarageo a 650 volteos.

Cualquier tiristor que soporte 400 volteos o más.

Una bombilla a 230 volteos.

Un portalámparas

Un transformador que convierta 230 volteos desde 6 hasta 12 volteos.

Una bobina de encendido.

Un poco de cable para alumbrado.

Una caja vieja de celular.
16

Un soldador eléctrico.

Destornilladores.

Alicates de punta y de corte.

Estaño para soldar.

Un mechero
Procedimiento
1.
Vamos a unir un diodo a uno de los extremos del bobinado primario. Para
ahorrar espacio vamos a doblar sus extremos, antes de unirlo se debe
verificar su orientación, la línea blanca es el cátodo y tiene que estar soldada
a la resistencia.
2.
Unimos también el otro diodo al bobinado secundario, orientándolo en el
mismo sentido como el primero.
3.
Soldamos la resistencia de 200 ondeos al diodo que está unido al bobinado
primario.
4.
Unimos la otra resistencia al segundo diodo.
5.
El siguiente paso, es colocar el condensador en su sitio correspondiente.
6.
Unimos también las tres patas del tiristor a los extremos correspondientes.
7.
Por último, vamos a soldar la bobina de encendido. Colocamos todos los
componentes en la caja y alimentamos el circuito, finalmente hacemos un
agujero superior en la caja y conectamos el cable al portalámparas.
17
CRONOGRAMA
FECHA
HORAS
ACTIVIDADES
05 DE MARZO
04:00 PM A 06:30 PM
REALIZACIÓN DE LA INTRODUCCIÓN.
06 DE MARZO
03:30 PM A 06:45 PM
REALIZACION
DE
OBJETIVOS
GENERALES
Y
OBJETIVOS
ESPECÍFICOS.
13 DE MARZO
01:00 PM A 02:30 PM
REALIZACIÓN DE LA JUSTIFICACIÓN.
14 DE MARZO
04:00 PM A 05:00 PM
REALIZACIÓN
DE
LAS
RECOMENDACIONES
16 DE MARZO
10:00 AM A 4:00PM
REALIZACIÓN DE LAS DIFERENTES
ETAPAS DEL MARCO TEÓRICO.
18 DE MARZO
10:00 AM A 12:00 MD
REALIZACIÓN DEL PLANTEAMIENTO
DEL
PROBLEMA
Y
LAS
CONCLUSIONES.
19 DE MARZO
04:00 PM A 05:20 PM
REALIZACIÓN DE LOS ANEXOS.
20 DE MARZO
05:10 PM A 06:10 PM
REALIZACIÓN DE LA BIBLIOGRAFÍA.
25 DE MARZO
01:35 PM A 03:00 PM
REALIZACIÓN
DE
LA
TABLA
DE
CONTENIDOS.
26 DE MARZO
02:50 PM A 03:30 PM
PLANTEAMIENTO O REALIZACIÓN DE
LOS AGRADECIMIENTOS.
18
ANÁLISIS DE DATOS O RESULTADOS
Los datos obtenidos de la literatura fueron los siguientes:
Observar cómo el acercamiento de tubos fluorescentes a una bola de plasma
(la cual contiene gas enrarecido ionizado), hace que éstos se iluminen sin estar
conectados a ninguna fuente de alimentación e incluso estando fundidos. Estos se
encuentran están disponibles en multitud de formas, siendo las más frecuentes
esferas y cilindros. Aunque haya muchas variaciones en su forma, una lámpara de
plasma es por lo general una esfera de cristal transparente.
19
CONCLUSIONES
La bola de plasma está formada por gas ionizado a baja presión. Cuando
acercamos el tubo fluorescente el gas de su interior se ioniza y, como ocurre si lo
conectamos a la red, los átomos ionizados al chocar con la capa fluorescente del
interior del tubo provocan la luminosidad.
Si tocamos la bola de plasma la descargamos (conducimos la corriente) y
los tubos situados en su proximidad se apagan.
Cuando agarramos el tubo fluorescente, la débil corriente pasa hacia
nosotros y dejamos una zona del tubo descargada y, por tanto, apagada.
La bola está llena de plasma, una especie de gas que puede ser bastante
conductor (de hecho, no es un gas, pero se le parece).
En el centro de la misma hay una acumulación de cargas de idéntico signo
(supongamos que son cargas negativas). En la esfera exterior también hay cargas
negativas en exceso, pero en menor cantidad que en el centro.
Si se coloca la mano sobre la parte de arriba del globo de plasma, las
ramificaciones de plasma se dirigirán hacia ella, y la corriente se descargará hacia
tierra sobre la superficie de la piel de la mano de la persona. Si ahora otra persona
se acerca y suavemente roza la parte de arriba de la mano de la primera persona
(que está sobre la esfera) ambas personas sentirán un pequeño picor en el punto
de encuentro entre las dos manos.
Si colocas una flanera de aluminio en la parte de arriba del globo y acercas
la mano y tocas la flanera te "chamuscarás" un poquillo el dedo de contacto. Si
sujetas una llave en tu mano, acercándola lentamente a la flanera es posible que se
desencadene una pequeña chispa, que cuando empieza puede alcanzar una
longitud de unos pocos mm.
20
RECOMENDACIONES
1. No colocar un metal sobre la Lámpara de Plasma mientras tiene un contacto
con ella.
2. No tener un artículo tecnológico en la mano mientras tocas la Lámpara de
Plasma.
3. A la hora de confeccionarla tener el apoyo de un adulto que tenga
conocimientos en electricidad.
4. No manipular la Lámpara de Plasma con las manos mojadas.
21
BIBLIOGRAFÍA
1. Administrador. (22 de febrero, 2008). Bola de Plasma. 2008, de CienciaPopular
Sitio Web:
http://www.cienciapopular.com/experimentos/bola-de-plasma
2. teknicailuminación. (19 de noviembre, 2013). Lámparas y electricidad en el
siglo XX: la lámpara de plasma. 2013, de teknicalighting consulting Sitio Web:
https://teknikailuminación.wordpress.com/2013/11/19/lamparas-y-electricidad-enel-siglo-xx-la-lampara-de-plasma
3. Programa de Televisión: History. Documental: “Maravillas modernas. Energía
desbordada.
22
ANEXOS
23
24
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