Misschien heb jij wel eens zo’n glazen bol met dansende bliksemschichten gezien. Dit intrigerende voorwerp, bekend als een teslabol of plasmabol, is vernoemd naar een van de meest bekende uitvinders aller tijden: Nikola Tesla. Laten we eens kijken naar de werking van deze bol en in hoeverre het lijkt op echte bliksem.
Wie was Nikola Tesla?
Nikola werd in 1856 geboren in een klein dorpje in hedendaags Kroatië, destijds behoorde het tot het keizerrijk Oostenrijk. Zijn vader was een Serviër. Nadat hij ging studeren bij de universiteiten van Graz en Praag kwam zijn carrière in een stroomversnelling. In 1884 emigreerde hij naar de Verenigde Staten. In de VS bestudeerde Tesla elektriciteit, wisselstroom en hoogspanning. Zijn uitvindingen legden de basis voor ons huidige stroomnetwerk. Hij stierf in 1943 in New York.
Nicola Tesla in 1893 (37 jaar oud). Bron: Napoleon Sarony - Marc Seifer Archive, publiek domein.
Teslabol
De teslabol, uitgevonden door Tesla in 1894, werd in de jaren 80 populair onder het grote publiek. Misschien heb jij ook wel een plasma- of teslabol in huis. Maar, hoe werkt deze uitvinding nou eigenlijk? De uitvinding werkt met plasma en een teslaspoel (Engels: Tesla coil). We leggen eerst plasma en een teslaspoel uit.
Wat is plasma?
Als ik je vraag welke fases een stof kan hebben, zullen de meesten wel bekend zijn met “vast, vloeibaar, gas”. De 4de fase, plasma, is een stuk onbekender. Wanneer een gas heel veel energie (of hitte) krijgt, verliezen de moleculen hun elektronen. Moleculen die hun elektron verloren hebben heten ionen. Dit noemen we het plasma: een kolkende soep van ionen en vrije elektronen. Wanneer ionen en elektronen met elkaar botsen, komt er energie vrij in de vorm van licht. Hierdoor geeft plasma licht. Plasma is een onstabiele staat, dit komt doordat de losgebroken elektronen zo snel mogelijk willen ontsnappen uit het plasma.
Wat is een teslaspoel?
In het midden van de teslabol zit een kleinere bol bovenop een buis. Dat is een teslaspoel (in het Engels bekend als Tesla coil). Daar komt de stroom naar binnen. Dan gaat het door een teslaspoel. Een teslaspoel is gemaakt om van laagspanning naar hoogspanning te gaan. Het uiteinde staat dus onder hoogspanning!
Sommige opstellingen kunnen zo’n hoge spanning genereren en zó heet worden dat zelfs gewone lucht plasma wordt. Dan schiet het plasma uit de teslaspoel en vormen de stromen elektronen een spectaculair gezicht. Hiermee imponeerde Tesla begin vorige eeuw al het publiek.
Een foto uit 1899. Dit is een foto met lange sluitertijd. Eerst werd de teslaspoel gedemonstreerd, toen het weer veilig was ging Tesla (links) erbij zitten. Bron: fotograaf Dickenson V. Alley (CC BY 4.0)
Tegenwoordig kan je ook gave dingen doen met een teslaspoel. Zo kan je een nummer spelen met lichtflitsen uit een spoel. Hieronder staat een voorbeeld van YouTube.
Speciale gassen in de teslabol
Terug naar de teslabol. In de bol zit een speciaal gas (een edelgas). De kleur van de dansende bliksems wordt bepaald door het gas en de luchtdruk in de bol. Verschillende gassen geven verschillende kleuren wanneer er elektriciteit door het gas heen stroomt. Vaak is de bol gevuld met argon (purper tot oranje aan de top), neon (rood-oranje) en stikstof (purper). Die gassen staan meestal onder een lage druk (een klein beetje vacuüm).
In het midden zie je de teslaspoel, vanaf daar stroomt het plasma naar de rand van de glazen bol. De kleuren worden bepaald door het gas en de luchtdruk in de bol. Bron: Colin, wikimedia (CC BY-SA 3.0).
De hete teslaspoel in het midden
Door de hoge spanning wordt het midden van de bol heel erg heet. Ook het gas waarmee de bol gevuld is, wordt te heet. Hierdoor ontstaat plasma! Zoals eerder omschreven willen de elektronen nu zo snel mogelijk weg uit het midden. Ze stromen naar de rand van de bol toe, waar het minder heet is. Dat zijn de lichtbundels die je tussen de bol en het glas ziet bewegen. De elektronen bewegen zelfs nog verder buiten de bol. We zien de elektronen niet meer buiten de bol. Alleen ín de bol kunnen we het zien, dankzij een edelgas dat door een lage luchtdruk de onzichtbare elektronen zichtbaar maakt.
Bliksem naar jouw vinger
Nu plaatst iemand een vinger op de teslabol. Opeens gaat de bliksem nu naar jouw vinger toe, hoe kan dat? De elektronen vinden nu een makkelijke weg om uit de bol te ontsnappen. Jouw vinger is nu de weg van de minste weerstand. Hierdoor stromen de elektronen via jouw vinger naar buiten. Die elektronen zijn buiten de bol onzichtbaar, maar in de bol veroorzaken die elektronen een dansend plasma rond jouw vinger.
De elektronen kiezen de weg van de korste weerstand, in dit geval via de jongen. Bron: Roman Boldyrev (CC BY 4.0)
Zijn de lichtflitsen in een plasmabol anders dan natuurlijke bliksem?
Stiekem hebben we ook wat geleerd over natuurlijke bliksem. Er zijn grote overeenkomsten tussen een plasmabol en natuurlijke bliksem:
- Ten eerste bestaan ze beiden uit plasma. Ook natuurlijke bliksem ontstaat doordat lucht zo heet wordt dat het plasma wordt. Dit plasma zorgt ervoor dat we de stroom elektronen kunnen zien.
- Dat brengt ons bij de tweede overeenkomst: beiden gaat het om een elektrische ontlading. Bij bliksem stromen elektronen meestal van een negatief geladen wolk naar de positief geladen grond.
- De derde overeenkomst heeft te maken met die vinger: zowel de plasmabol als de bliksem zoekt de weg van de minste weerstand. Bliksem slaat eerder in op een eenzame boom, de flitsen in je plasmabol volgen je vinger.
Grote verschillen zijn er echter ook, natuurlijke bliksem is veel gevaarlijker. Het wordt namelijk veel heter. Natuurlijke bliksem wordt wel 30.000 graden, de spoel in een plasmabol wordt niet heter van 100 graden. Een de glazen bol van een plasmabol is geheel veilig om aan te raken. Natuurlijke bliksem ontstaat door botsingen tussen bevroren waterdruppels en ijskristallen, terwijl ‘bliksem’ in een plasmabol ontstaat door een edelgas onder stroom te zetten. Al met al is een plasmabol dus een veilig schaalmodel, waarin je bliksem toch een beetje na kan maken. En dat dankzij de uitvinding van Nikola Tesla.
Onweer in het echt is een stuk spannender en onvoorspelbaarder dan een tesla- of plasmabol. Fotograaf: Ria Brasser (Oost-Souburg), juli 2024.
