電光魔球是一種依靠電漿和氣體放電等技術製成的工藝品。本文介紹了電光魔球的基本結構，分析了電光魔球的工作原理，並介紹了幾種有趣的實驗現象。通俗的說，把手放在球上去，電就會跟著手的路徑走。
基本介紹
- 中文名：電光魔球（又稱：電漿球）
- 外文名：plasma magic light
魔球構造,幾種趣味現象,
魔球構造
電光魔球現象探索
余 寧
電光魔球
電光魔球（同濟大學物理系2001級本科生 上海200092）
摘要
1 引 言 在許多的科技展覽會中，可以看到一種散發著閃電狀絢麗弧光的玻璃球，一般叫做是電光魔球(圖1) ，英文稱 plasma magic light，又稱電漿球。許多人認為它是一種靜電球，其實不然。事實上，電光魔球是依靠電漿和氣體放電技術製成，有著豐富的物理知識內涵。
2 基本結構 電光魔球主要由玻璃球體、電路板、和直流電源這三部分組成。
1) 玻璃球體 它是個密封的球體，其玻璃一般由耐高溫的優質玻璃做成。密封的球體內填充了低壓的惰性氣體。在球體內腔處，如圖2中2處，由底板伸入導線，至中央小球腔，與填充小球腔的鋼絲堆連線，如圖2中5處。
電弧球圖2 電光魔球基本結構平面圖? |
2) 電路板 電路板上有著麥克風和電子器件，構成高頻交流脈衝電路和聲控電路。
3）直流電源 圖2 電光魔球基本結構平面圖 圖3 電光魔球基本結構3D圖 電光魔球的電源是大家所熟悉的鎮流器，常見的有220V->12V直流電源。
圖3 電光魔球基本結構3D圖 |
3 工作原理 底板電路能夠產生高頻脈衝式交流電和聲控電路。高頻脈衝式交流電是由導線芯通至鋼絲堆內。該交流電，其電壓高達數千至一萬伏，頻率則可能高達數百千赫，但其電流很小，所以即使是用手接觸也不會有觸電感覺。中心鋼絲堆中的鋼絲扭曲彎折，形成一個個指向外面尖端，魔球通電後，在中心的鋼絲堆與玻璃球體外殼之間產生氣體放電現象，形成電漿，發出絢麗的弧光。電光魔球一般有種聲控模式，當調到該模式時，聲控電路可以使氣體放電根據聲音的有無而產生間斷變化，聲音的大小產生強弱變化。
3.1 高頻放電[1 ] 高頻放電，不僅僅因為該法易獲得純淨電漿、增強電離提高放電效率，更是在於放電極鋼絲堆外玻璃層是絕緣體。如果是採用直流放電，是根本無法維持放電。分析如下：不妨把魔球的惰性氣體放電區和玻璃內外殼都視為平行板電容器，其直流放電迴路如圖4。因 ，而玻璃的介電常數 比惰性氣體的大的多，厚度也相對很薄，可得玻璃層的電容量遠比惰性氣體放電區的等效電容大。同時考慮當電容器串聯時，電壓在電容器上的分配與電容量成反比。所以在開關接通的瞬間，玻璃層的壓降幾近為零。依次設玻璃外殼、惰性氣體、玻璃內殼的電容為C1、C2、C3（圖5）。一旦產生氣體放電之後,於是C1內表面開始充正電，C3外表面開始充負電。隨著充電過程的持續，C2兩端的電壓會逐漸減小，即加在放電區兩端的電壓則隨之不斷減小，當減小到維持放電所需要的電壓值以下時，放電就停止了。
若採用高頻交流放電，由電容元件的阻抗 知，因f很大，Zc很小，顯然可以看成短路【3】，所以可以維持放電。
圖4 放電迴路 | 圖5 等效電路 |
3.2 球內氣體[3] 產生放電現象後，魔球發出光的顏色事實上是球內填充氣體自身的原子特徵光譜。填充的氣體一般為氪或氙和氖的混合氣體。氪、氙使球內的光看起來比較像閃電的形狀，而非氣流狀。球內填充的氣體不同，光線的顏色也不同（表1）。當然除氣體種類外，電流大小及球內氣壓也會影響魔球發出的顏色。
表1 惰性氣體放電顏色
氣體元素名稱 | He | Ne | Ar | Kr | Xe |
原子序數 | 2 | 10 | 18 | 36 | 54 |
放電時發光的顏色 | 黃色 | 紅色 | 紅或藍色 | 黃綠色 | 藍綠色 |
4 幾種趣味
幾種趣味現象
1) 將電光魔球調到聲控模式， 拍手掌或是發出一定的聲響，因為內置的聲控電路，可以看出隨著聲音的節奏產生放電現象。
2) 將手指接觸玻璃球外殼，此時因為手指的電勢相對較低，內球通過手指到地形成通路。可發現弧光從內球發出打在手指位置處，並會隨著手指的移動而移動，（圖6）
3) 日光燈是靠激發汞原子產生紫外光使得螢光粉發光的，只要能產生電勢差或者電磁波，即可讓日光燈發光[4]。用手握住日光燈管的一端，將其另一端靠著電光魔球，因為產生電勢差，可發現整支燈管會亮了起來（圖7）。同樣的道理，如果此時把氖泡接近電光魔球的話，也可以看到氖泡發亮。
4) 用磁鐵靠近魔球，光線並不會在磁場中偏轉，說明發光不是由電子束引起的。
電漿球內充填著低壓的惰性氣體，中央金屬球接上高電壓，通常是高頻交流電或高頻脈衝式直流電，其電壓高達數千至一萬伏特，頻率則可能高達數十千赫，但電流小，可能小到一毫安培以下，由於電流過低，流經人體並不會有電擊的感覺。電漿球內填充的氣體為氪或氙與氖的混合氣體，氪、氙使球內的光看起來比較像閃電的形狀，而非氣流形狀。電漿球通電時，在中心金屬球與玻璃外殼之間會有電流通過，帶電粒子撞擊到球內氣體時，會發出各種顏色的光線，這一點和霓虹燈（其實應叫氖燈）非常類似。球內填充的氣體種類不同，光線的顏色也不同，例如：氦－淡黃到橙；氖－暗紅到橙；氮－白或粉紅或橙；氬－紫；氪－白或灰，低壓時綠；氙－藍白或藍灰，除氣體種類外，電流大小及球內氣壓也會影響電漿球發出的顏色
離子球又稱輝光球又稱為電離子魔幻球。它的外觀為高強度玻璃球殼，球內充有稀薄的惰性氣體（如氬氣等），玻璃球中央有一個黑色球狀電極。球的底部有一塊震盪電路板，通過電源變換器，將12V低壓直流電轉變為高壓高頻電壓加在電極上。
通電後，震盪電路產生高頻電壓電場，由於球內稀薄氣體受到高頻電場的電離作用而光芒四射，產生神秘色彩。由於電極上電壓很高，故所發生的光是一些輻射狀的輝光，絢麗多彩，光芒四射，在黑暗中非常好看。
