Die Plasmakugel

Wer kennt sie nicht, die Plasmakugel, den Plasmaball, die Plasmalampe oder wie man sie auch immer bezeichnen mag. Da es dieses schöne Gerät mittlerweile für kleines Geld (nicht mehr als 20EUR) sogar auch für den USB-Port gibt, ist es höchste Zeit, sich in diesem blog mit der Funktion der Plasmakugel zu beschäftigen.

Nur damit keine Missverständnisse aufkommen, um was für ein Gerät es sich handelt, findet sich in dem folgenden Bild eine besonders gelungene Photographie.

Plasmakugel, Quelle: made by Luc Viatour (http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Lviatour)
Quelle: Luc Viatour

Hier erkennt man das wesentliche Merkmal der Plasmakugel: Eine innere und eine äußere Glaskugel zwischen denen sich blitzartige Leuchterscheinungen befinden. Fangen wir mit den Blitzen an, die sollten jedem bekannt sein. Ein besonders schönes Exemplar kann man in dem folgenden Photo bewundern.

Eifelturm

Blitze entstehen dann, wenn zwischen zwei Polen ein elektrisches Feld so stark ist, dass die dazwischen befindliche Luft (oder allgemeiner, ein Gas) ionisiert wird. Dazu brauch man ein paar freie Ladungsträger, die man aufgrund von kosmischer Hintergrundstrahlung oder natürlicher Radioaktivität überall hat. Diese werden von dem elektrischen Feld so stark beschleunigt, dass ihre Energie ausreicht, um andere Luftmoleküle zu ionisieren. Es entsteht ein lawinenartiger Prozess und ein leitender Blitzkanal bildet sich aus, über dem die Ladung zwischen den Polen abfließt.

In einem Gewitter fließen über die Blitze Ströme von bis zu 100 kA ab, während die Potentialdifferenz einige 100 MV betragen kann. Der laute Knall ist das Resultat der extrem schnellen Erwärmung im Blitzkanal, welche zu lokalen Drücken von bis zu 100 bar führen kann. Die resultierende Druckwelle hören wir dann als Donner.

So, das klingt ja recht beeindruckend, hat aber mit den Blitzen in der Plasmakugel nur das Grundprinzip gemeinsam: die Beschleunigung (und Erzeugung) von Ladungsträgern in einem elektrischen Feld. Bei dem elektrischen Feld handelt es sich nun aber um ein elektrisches Wechselfeld was häufig eine Frequenz von 37 kHz hat. Schauen wir uns einmal den schematischen Aufbau der Plasmakugel an:

Aufbau einer Plasmakugel
Schematischer Aufbau einer Plasmakugel; Bild: Alf Köhn, CC BY-SA

Äußere und innere Glaskugel kennen wir schon. Innerhalb der inneren Glaskugel befindet sich oft Stahlwolle (oder etwas vergleichbares), an die das hochfrequente elektrische Wechselfeld angelegt wird. An den Kanten und Spitzen der Stahlwolle entstehen lokal hohe Feldstärken, welche als Ausgangspunkt für die Blitze dienen.

Zwischen den Glaskugeln liegt ein Unterdruck an, meist Werte zwischen 1 und 100 mbar, um die Zündschwelle, also die elektrische Feldstärke, bei welcher der Funke überschlägt und das Plasma somit zündet, zu erniedrigen. Die elektrische Feldstärke nimmt mit der Entfernung ab, daher existiert zwischen äußerer und innerer Glaskugel eine Potentialdifferenz, die man für die Blitzentstehung braucht. Die Glaskugeln sind im Grunde nichts anderes als ein Kondensator, der für Wechselstrom durchlässig ist. Durch den dauerhaften Stromfluss handelt es sich bei den Blitzen hier um langlebige Erscheinungen.

Legt man nun die Hand auf die äußere Glaskugel, so wird diese lokal geerdet, die Potentialdifferenz zwischen innerer und äußerer Kugel an dieser Stelle vergrößert und ein Blitz in Richtung der Hand bildet sich aus. Moment mal, durch die Hand erdet man dort die äußere Glaskugel, das würde ja bedeuten, es fließt ein Strom durch mich hindurch. Nicht ganz richtig, es fließt zwar ein Strom von ca. 5 mA, aber nur auf der Oberfläche des Körpers, also auf der Haut. Das liegt am Skineffekt, der dafür sorgt, dass bei hochfrequenten Strömen selbige nur an der Oberfläche des Leiters fließen.

Gut, den Strom spürt man also nicht, aber was ist mit der Temperatur des Blitzes, müsste man die nicht merken? Dazu muss man sich kurz daran erinnern, was Temperatur eigentlich ist. Temperatur ist ein Maß für die Bewegung der Atome oder Moleküle eines Gases. Mehr Bewegung bedeutet mehr Temperatur. In einem Plasma kommt nun eine Besonderheit hinzu: Man hat hier nun eine Teilchenspezies mehr vorliegen, die Elektronen. In unserer Plasmakugel ist es so, dass hauptsächlich die Elektronen dem hochfrequenten Wechselfeld folgen können, die Ionen sind aufgrund ihrer größeren Masse zu träge. Für die gefühlte Temperatur entscheidend ist aber die Temperatur der Schwerteilchen, also der Ionen und der Neutralteilchen, die Elektronen tragen aufgrund ihrer geringen Masse und der geringen Dichte kaum dazu bei. Daher spürt man praktisch keine Erwärmung.

Ich bin mir übrigens nicht sicher, ob ich an meinem Computer eine Plasmakugel über den USB-Port betreiben möchte, da das elektrische Wechselfeld ja nicht mit der äußeren Glaskugel endet. Ich könnte mir da schon die eine oder andere unerwünschte Störung vorstellen, wer das nicht kann, sollte man eine Digitaluhr o.ä. an seine Plasmakugel halten, da kann man mitunter lustige Effekte beobachten

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Alf Köhn hat in Kiel Physik studiert und an der Uni Stuttgart am Institut für Plasmaforschung promoviert. Momentan ist er als Post-Doc am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching tätig und beschäftigt sich dort überwiegend mit der Wechselwirkung von Plasmen und elektromagnetischen Wellen.

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Wohnzimmer

    In selbiges (also ins Wohnzimmer) würde ich mir den Fusor allerdings nicht stellen, die entstehenden Neutronen könnten einige noch weitaus unangenehmere Nebeneffekte auslösen, als das elektrische Wechselfeld der Plasmakugel 😉

  2. FORMBAR

    Die Plasmakugel ist leider nicht zu finden, wenn man auf “FORMBAR” geht.

    Vermutlich ist die Plasmakugel in den verborgenen Dimensionen der Raumzeit verschwunden.

    Wenn man das reproduzieren kann, dann wäre das ein gutes Überlicht-Triebwerk.

  3. Hallo

    hab mir auch wieder eine Plasmakugel ins Wohnzimmer gestellt und eine Scheibe über die Tür gehangen, sieht nun fast so aus wie bei den BORG hier 🙂 Finde sie toll 🙂

    Gruß Chris

  4. Warum riecht die Haut der Finger oder der Hand ganz anders, wenn man sie ein paar Sekunden an eine Plasmakugel gehalten hat???

    • Lieber Growling Mad Scientist,
      der Geruch könnte Ozon sein, dass an der Oberfläche der Plasmakugel entstanden ist. Wenn du, andererseits, mit ein paar Tricks, einen kleinen Funken auf einen deiner Finger hast abfließen lassen, so dass dort eine kleine verbrannte Stelle entstanden ist, könnte es auch das sein, was du riechst.
      Ansonsten, wie gesagt, wahrscheinlich Ozon.

  5. Hallo Alf,

    meine Tochter (6 Jahre) wünscht sich eine “Hexenkugel”. Ich bin nun auf der Suche danach auf die Plasmakugel gestoßen. Allerdings mache ich mir Gedanken, ob aufgrund der Dinge, die man dazu lesen kann: elektromagnetische Strahlung, Ozon, UV-Strahlung… von gesundheitlicher Unbedenklichkeit gesprochen werden kann. Was sagen Sie dazu?
    Über eine Antwort würde ich mich sehr freuen.

    MfG
    Sophie

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