قام نيكولا تسلا باختراع مصباح البلازما بعد تجارب أجراها باستخدام التيارات عالية التردد في أنبوب زجاجي فارغ؛ بهدف دراسة ظاهرة الجهد الكهربي العالي؛ وعُرف بيل باركر بأنه أول من صمم الصورة الحديثة لمصباح البلازما. وقد أطلق تسلا على هذا الاختراع اسم أنبوب تفريغ الغاز الخامل.
ومصباح البلازما جهاز كهربائي؛ يستخدم التيار الكهربائي المتدفق تحت قدرة عالية لتأيين غرفة مليئة بالغازات. يعتمد شكل البلازما الناتجة المتدفقة على طبيعة الإشارة الكهربائية، ويعتمد لونها على نوع الغاز المستخدم. وتنتج إشارة الجهد العالي عن طريق محول شبيه بذلك المستخدم في أنابيب التليفزيون. فينتج ما بين 5.000 و10.000 فولت، بتردد يبلغ نحو 20 كيلو هرتز. ويتم تعبئة المصباح بغاز خامل، مثل النيون والأرجون شائعي الاستخدام.
ويُغلق الزجاج عندما تصبح الغازات تحت ضغط منخفض، حوالي واحد على عشرة من ضغط الهواء أو ما نحو ذلك. وهذا يقلل من متوسط المسار الحر لخليط الغازات (متوسط المسافة التي ينتقل بها حامل الشحنات قبل اصطدامه بحامل آخر أو ذرة). وإذا كان متوسط المسار الحر طويلًا، تقوم حاملات الشحنات بالإسراع لزيادة طاقتها الحركية قبل التصادم. ولكن الأهم من ذلك هو أنها تستطيع القيام بذلك مع وجود حقل كهربائي أقل جهدًا. ومن ثَمَّ، يمكن أن تُلاحظ آثار تفريغ الغاز مع وجود جهد أقل بكثير مما هو ممكن في الضغط الجوي. ويحدث تأين الغازات في القطب الأوسط، وينفذ التفريغ إلى زجاج المصباح.
كما أن الأسلاك عديدة، وليس لها اتجاه أو مسار معين؛ حيث إن المسافة من القطب المركزي إلى أي جزء من زجاج المصباح واحدة. وعندما يقترب جهد خارجي من الزجاج، مثل يد شخص، يزداد الحقل الكهربائي بين القطب المركزي والجهد المحسن؛ حيث موضع اليد. ويحدث التفريغ عادة في هذه المنطقة ويكثف الحاملات في هذه المنطقة.
كما أن استخدام التردد العالي يجعل الجهاز آمنًا؛ حيث إن التيارات الكهربية التي تهرب إلى الأرض عبر الزجاج، وفي نهاية المطاف إلى أسفل عن طريق يد شخص ما أو جسمه، تقوم بذلك عن طريق الانتقال عبر سطح الجلد، وليس من خلال الجسم نفسه. وتأثير الجلد يحمي المستخدم من صدمة كهربائية (تكون صغيرة عامة عند الأخذ في الاعتبار التيارات الصغيرة المعنية). وعلى الرغم من أن مصابيح البلازما لا تؤدي إلى حدوث صدمة كهربائية، فإنها قد تسبب حروقًا طفيفة في الجلد.
وإذا قام شخص بوضع يده على سطح مصباح بلازما، فسوف تنجذب البلازما الراكدة إليه، وسوف يُفرَّغ التيار إلى الأرض عبر سطح جلد يد ذلك الشخص. وإذا جاء شخص آخر ولمس برفق ظهر يد الأول الموضوعة على المصباح، فسيشعر كلاهما بوخزة طفيفة عند تلامس كلتا اليدين. ولمعرفة ما يحدث، قم بإطفاء المصباح، وضع رقاقة من القصدير، نحو 4 سم2، على سطح المصباح. قم بإعادة إشعال المصباح، وامسك مفتاحًا في يدك بإحكام، وقربه ببطء من طرف الرقاقة. قد ينتج عن ذلك شرارة بسيطة؛ وحين تبدأ قد تمتد إلى عدة ملليمترات في الطول. وذلك النوع من الشرارة مسئول عن حروق الجلد الطفيفة التي تحدثنا عنها.
ولتوضيح حجم ومدى الحقل الكهربي المحيط بتلك المصابيح، يمكن الاستعانة بأنبوب فلورسنت منزلي. فإذا أُمسك الأنبوب من طرف وقُرب الطرف الآخر من مصباح يعمل، فسوف يضيء الأنبوب بأكمله. وإذا حُمل الأنبوب من المنتصف، فسوف يضيء فقط الجزء الواقع بين يد الشخص والمصباح؛ مما يبين بوضوح مسار التيار الكهربي.
تستخدم مصابيح البلازما كتحفة أو لعبة لتأثيراتها الفريدة في الإضاءة، والخدع التي يمكن إجراؤها عليها من قبل مستخدميها بتحريك أيديهم حولها، وقد تشكل جزءًا من أدوات المعمل المدرسي لأغراض توضيحية، ولا تستخدم عادة في الإضاءة عامة. ومع ذلك، كما هو الحال في السنوات الأخيرة، بدأت بعض متاجر الهدايا ببيع مصباح بلازما ليلي يمكن وضعه في قابس الضوء التقليدي.
المراجع
wonders.physics.wisc.edu
physics.gla.ac.uk
en.wikipedia.org
youtube.com
youtube.com
youtube.com