Схема ионофона (плазменного динамика) была создана на основе широко распространенных проектов такого типа найденных в Интернете. Весь проект был создан в домашней мастерской из общедоступных материалов и с использованием приобретенного любительского опыта в электронике. Последующие исследования и описания свойств плазмы возникли при наблюдении различных явлений с плазмой, например, магнитного поля и испытаний с воздействием плазмы на свечу или лампу. Для эксперимента, описывающего четвертое состояние агрегации, были также применены приборы и физические эксперименты, связанные с высоким напряжением и плазмой.

Внимание! Во время эксперимента используется устройство генерирующее высоковольтное напряжение и токсичный озон, которые могут представлять угрозу для жизни или здоровья! При проведении опытов будьте особо осторожны!

Перед проведением эксперимента нужно иметь базовые знания о плазме и связанных с ней физических явлениях. Они помогут лучше понять суть происходящего. Во время эксперимента будет важна следующая информация и определения:

• Холодная плазма – сильно ионизированный газ (проводящий электричество), который по своим особым свойствам называется четвертым состоянием вещества. Это газовое облако, электрически нейтральное, с высокой концентрацией электронов и ионов. Происходит при относительно низких температурах и давлениях.
• Электрический разряд – ток в изоляторе, вызванный сильным высоким напряжением
• Электрическая дуга – непрерывный электрический разряд при нормальных условиях.
• Флуоресценция – явление света, излучаемого возбужденным (главным образом легким) атомом или молекулой.

Для проведения плазменного эксперимента понадобятся:

1. Система плазменной акустики с электродами для источника плазмы
2. Регулируемый источник питания, обеспечивающий питание вышеуказанной системы (трансформатор с соответствующими параметрами – около 20 В / 5 А).
3. Источник электрического звукового сигнала (например, мобильный телефон, MP3-плеер или выход для наушников с компьютера).
4. Свеча, магнит, спираль энергосберегающей люминесцентной лампы, лестница Иакова из проводов.

Чтобы понять как возникает высокое напряжение, а следовательно и плазма на выходе плазменной акустической системы, необходимо проанализировать схему и определить функции элементов.

Схема работает следующим образом: в режиме ожидания генератор ШИМ создает прямоугольный сигнал с заданной скважностью, т. е. длительностью и частотой, определяемые потенциометрами.

Далее выходной сигнал интегральной микросхемы подается на вход силового полевого МОП-транзистора управления, который преобразует его в соответствующие параметры высоковольтного импульса тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора. В результате повышения и на выходе умножителя формируется гораздо более высокое напряжение, что вызывает ионизацию диэлектрика, который является воздухом с проходящим через него током, что приводит к устойчивой электрической дуге, то есть плазме.

Плазменный динамик

После подключения источника электрического звукового сигнала (к смартфону) и правильного регулирования настроек акустической системы чтобы получить стабильное пламя и хорошее качество звука, можно включить мелодию. Выбранная песня слышна непосредственно из электрической дуги! Разнообразные звуки играют в плазме между электродами!

Конечно это не громкий динамик большой мощности, потому что музыка, выходящая из пламени, имеет громкость сравнимую с той что воспроизводится со слабенького мобильного телефона. Кроме того играемая музыка не имеет басов, ей не хватает низких частот. Это связано с тем, что мембрана в данном случае представляет собой небольшое плазменное пламя и не способна воспроизводить звуки требующие больших движений диафрагмы (перемещение большого количества воздуха). Плазменный громкоговоритель воспроизводит прекрасно высокие тона, потому что он характеризуется низкой инерцией мембраны: пламя легко передает быстрые вибрации в воздух.

Плазма производит звук благодаря своей модуляции. Генератор ШИМ, в зависимости от входного электрического аудиосигнала, сокращает или удлиняет параметры выходного сигнала на постоянной частоте и, следовательно, вызывает концентрацию или истончение плазмы, что приводит к уплотнению и разбавлению воздуха. Таким образом создается акустическая волна, которая по определению представляет собой структуру плотности и давления в упругой среде (воздухе). Эта волна достигая наших ушей и позволяет слышать музыку, воспроизводимую с телефона.

Плазма и огонь

Продолжая опыты, не отключая мобильный телефон или не меняя параметры электрической дуги, поместим свечу в плазму. Она быстро загорается и сгорает. Остается лишь короткая электрическая дуга, которая подает напряжение от электродов к пламени. Пламя свечи кажется ярче. Музыка продолжает воспроизводиться, на этот раз главным образом через пламя свечи.

Мгновенное зажигание фитиля свечки происходит потому, что плазма имеет очень высокую температуру – порядка нескольких тысяч градусов Цельсия. Осветление пламени вызвано дополнительным нагревом атомов углерода за счет очень высокой температуры плазмы. Из этого можно сделать вывод, что нормальное пламя горения имеет свойства подобные плазме, и то, что оно проводит электричество. Оно также может быть модулировано, что позволяет воспроизводить звук.

Огонь имеет много общих черт с плазмой и подвержен тем же явлениям, однако мы не можем окончательно рассматривать его как плазму, потому что он слишком холодный. (Это спорный вопрос – разные физики занимают различные позиции).

Взаимодействие плазмы с магнитом

Чтобы изучить другое свойство плазмы, нужна стабильная электрическая дуга: для этого выключаем стабильный звуковой сигнал из генератора. Затем прихватив ферритовый магнит плоскогубцами, медленно приближаем его к пламени плазмы и наблюдаем реакцию плазмы на наличие магнитного поля различной полярности. Каждый раз, независимо от полюса который приближаем к электрической дуге, оно пригибается к магниту, чтобы быть как можно ближе к магнитному полю.

Это говорит о том, что плазма состоит из частиц восприимчивых к магнитным взаимодействиям и в то же время проводящим электричество. Из этого можно сделать вывод, что плазма представляет собой облако, состоящее из электронов и ионов. Эти заряды, генерирующие собственное электромагнитное поле, притягиваются магнитным полем и изгибают пламя вдоль линии его поля.

Плазма и ионизация газа в лампе

Наблюдая плазменное пламя мы видим, что оно излучает фиолетовый свет и генерирует много тепла – электрические разрядники горят. Чтобы узнать об ионизации других газов с помощью высокого напряжения, к электродам плазменного динамика присоединяем спираль из флуоресцентной лампочки.

Когда электрическая дуга соединяется с концами спирали, видно белый свет с теплым или более холодным спектром, идентичным нормальному функционированию лампы.

Ионизация газа в люминесцентной лампе убеждает в том, что разные газы могут излучать разный свет. Это позволяет сделать вывод о том что плазма, возникающая в разных условиях, может иметь другие свойства, среди прочего, цвета испускаемого света, температуры или области возникновения.

Плазма и лестница Иакова

Во время работы плазменного динамика видно, что электрическая дуга согнута. Чтобы узнать о следующем свойстве плазмы, нужно соединить два провода, образованные вместе в форме V, но разделенные на несколько миллиметров друг от друга. Затем задайте правильные параметры дуги без воспроизведения музыки. После правильной активации новых электродов на их концах появляется небольшая дуга которая быстро перемещается вверх и увеличивается по длине, а затем ломается. Ситуация повторяется много раз.

Анализируя это явление заключаем, что плазма подвергается явлению конвекции, т. е. перемещает теплые массы воздуха, вызванные разницей плотности. Плазма по-прежнему ведет себя как газ и обладает другими свойствами одновременно. Она может проводить электричество и содержит много энергии, которую дает окружающей среде по-разному. Все наблюдения подтверждают, что плазма представляет собой сильно ионизированный газ.

После длительной работы ионофона можно почувствовать запах воздуха, как после грозы. Это характерная особенность озона, создаваемого электрической дугой. Плазма, в зависимости от окружающей среды в которой она присутствует, может вызывать различные химические реакции.

В аэробной среде она выполняет синтез кислорода в озон, в соответствии с уравнением 3O2 > 2O3. Это позволяет узнать про еще одно необычное свойство четвертого состояния агрегации. Озон является ядовитым газом и обладает сильными асептическими и токсичными свойствами. Поэтому будьте осторожны во время эксперимента и проводите их в хорошо проветриваемом помещении.