电光魔球的魔球构造

电光魔球现象探索

余 宁

（同济大学物理系2001级本科生 上海200092）

摘要

1 引 言 在许多的科技展览会中，可以看到一种散发著闪电状绚丽弧光的玻璃球，一般叫做是电光魔球(图1) ，英文称 plasma magic light，又称电浆球。许多人认为它是一种静电球，其实不然。事实上，电光魔球是依靠等离子体和气体放电技术制成，有著丰富的物理知识内涵。

2 基本结构 电光魔球主要由玻璃球体、电路板、和直流电源这三部分组成。

1) 玻璃球体 它是个密封的球体，其玻璃一般由耐高温的优质玻璃做成。密封的球体内填充了低压的惰性气体。在球体内腔处，如图2中2处，由底板伸入导线，至中央小球腔，与填充小球腔的钢丝堆连接，如图2中5处。

　图2 电光魔球基本结构平面图? 2) 电路板 电路板上有著麦克风和电子器件，构成高频交流脉冲电路和声控电路。

3）直流电源 图2 电光魔球基本结构平面图 图3 电光魔球基本结构3D图 电光魔球的电源是大家所熟悉的镇流器，常见的有220V->12V直流电源。 　图3 电光魔球基本结构3D图 3 工作原理 底板电路能够产生高频脉冲式交流电和声控电路。高频脉冲式交流电是由导线芯通至钢丝堆内。该交流电，其电压高达数千至一万伏，频率则可能高达数百千赫，但其电流很小，所以即使是用手接触也不会有触电感觉。中心钢丝堆中的钢丝扭曲弯折，形成一个个指向外面尖端，魔球通电後，在中心的钢丝堆与玻璃球体外壳之间产生气体放电现象，形成等离子体，发出绚丽的弧光。电光魔球一般有种声控模式，当调到该模式时，声控电路可以使气体放电根据声音的有无而产生间断变化，声音的大小产生强弱变化。

3.1 高频放电[1 ] 高频放电，不仅仅因为该法易获得纯净等离子体、增强电离提高放电效率，更是在於放电极钢丝堆外玻璃层是绝缘体。如果是采用直流放电，是根本无法维持放电。分析如下：不妨把魔球的惰性气体放电区和玻璃内外壳都视为平行板电容器，其直流放电回路如图4。因 ，而玻璃的介电常数 比惰性气体的大的多，厚度也相对很薄，可得玻璃层的电容量远比惰性气体放电区的等效电容大。同时考虑当电容器串联时，电压在电容器上的分配与电容量成反比。所以在开关接通的瞬间，玻璃层的压降几近为零。依次设玻璃外壳、惰性气体、玻璃内壳的电容为C1、C2、C3（图5）。一旦产生气体放电之後,於是C1内表面开始充正电，C3外表面开始充负电。随著充电过程的持续，C2两端的电压会逐渐减小，即加在放电区两端的电压则随之不断减小，当减小到维持放电所需要的电压值以下时，放电就停止了。

若采用高频交流放电，由电容元件的阻抗 知，因f很大，Zc很小，显然可以看成短路3，所以可以维持放电。 　图4 放电回路 图5 等效电路 3.2 球内气体[3] 产生放电现象後，魔球发出光的颜色事实上是球内填充气体自身的原子特徵光谱。填充的气体一般为氪或氙和氖的混合气体。氪、氙使球内的光看起来比较像闪电的形状，而非气流状。球内填充的气体不同，光线的颜色也不同（表1）。当然除气体种类外，电流大小及球内气压也会影响魔球发出的颜色。

表1 惰性气体放电颜色 气体元素名称 He Ne Ar Kr Xe 原子序数 2 10 18 36 54 放电时发光的颜色 ** 红色 红或蓝色 黄绿色 蓝绿色 4 几种趣味