¿Cómo funcionan las lámparas de plasma?

Question

He estado tratando de entender cómo funcionan las lámparas de plasma (o globos de plasma, según Wikipedia) y por qué no mueres de una horrible muerte ardiente cuando las tocas. Lo que he averiguado hasta ahora es que el electrodo central se alimenta con una entrada de alto voltaje y alta frecuencia. Debido a los altos voltajes, el gas se ioniza y se obtienen los filamentos de plasma. Todo esto tiene sentido, pero tengo algunas preguntas que no puedo responder (o encontrar la respuesta en línea). En primer lugar, relacionadas con cómo mata la corriente:

1. ¿Qué corriente se necesita para hacerle daño? He oído hablar de la corriente de miliamperios que provoca fibrilación, pero yo hablo de quemaduras reales y de gente ardiendo. Los cuerpos humanos son resistencias típicamente en el rango de MOhm (según lo confirmado por mi multímetro y yo). Incluso con voltajes principales (220 donde yo vivo), eso es una corriente ridículamente pequeña, ni siquiera miliamperios. Además, la potencia que disipas es como 0,1W, lo que no debería ser terriblemente dañino. ¿Puedes sufrir quemaduras graves (en condiciones secas) con la tensión de red?

   Ahora pasemos a la parte de la Bola de Plasma:

2. ¿Cuál es un buen circuito equivalente para la bola? Tal vez si alguien pudiera proporcionar un circuito equivalente, podría entenderlo mejor.

3. ¿Por qué tiene que ser de alta frecuencia? ¿Unos pocos kV no ionizarían el gas igualmente?

4. ¿Qué partes de la lámpara están conectadas a tierra? Parece que hay diferencia si está conectada a tierra o no cuando la tocas. Además, ¿por qué el filamento se concentra en tu dedo cuando lo tocas? Parece como si estuvieras cerrando un circuito con tierra, pero esto parece raro debido a la pregunta 1.

5. ¿Por qué no es esto extremadamente peligroso? En circunstancias correctas, pero no demasiado improbables, si estás de pie en el suelo y ofreces una resistencia baja, el electrodo central en el rango de kV emitiría una corriente en el rango de amperios o incluso más (suponiendo que la referencia del electrodo central esté realmente conectada a tierra). Esto debería al menos freírte justo donde estás parado, si no causa fibrilación antes. Entiendo que sería bastante estúpido tocar una de estas lámparas estando descalzo en el suelo y mojado, pero no te daría sólo una descarga, unos pocos amperios darían un espectáculo espantoso, ¿no? ¿Cómo se puede vender algo así al público? He oído a gente decir que no es tan dañino debido a la alta frecuencia, pero ¿cómo puede ser así? ¿Acaso el cuerpo humano deja de comportarse como una resistencia a altas frecuencias?

6. En una nota similar, si tuviera la lámpara sobre una mesa de metal y alguien la volcara, unos cuantos kilovoltios cortocircuitados a tierra tienen que crear algunos fuegos artificiales. ¿No es realmente peligroso? Sé que probablemente la fuente de alimentación interna no podrá suministrar el amperaje y la tensión bajará, provocando una corriente menor, pero de nuevo, ¿no es esto realmente peligroso de todos modos?

Answer 1

RESPUESTA A LA PREGUNTA 1

Su multímetro es un método incorrecto para medir la resistencia del cuerpo. El cuerpo humano mide pocos kiloohmios. Cuando se electrifica a un ser humano, la impedancia efectiva oscila entre 1000 y 5000 ohmios (¡ni kilo, ni mega!).

IEC dice (texto de Wikipedia):

The International Electrotechnical Commission gives the following
values for the total body impedance of a hand to hand circuit for dry
skin, large contact areas, 50 Hz AC currents (the columns contain the
distribution of the impedance in the population percentile; for
example at 100 V 50% of the population had an impedance of 1875Ω or
less)

Voltage  5%          50%          95%
25 V     1,750 Ω     3,250 Ω    6,100 Ω
100 V    1,200 Ω     1,875 Ω    3,200 Ω
220 V    1,000 Ω     1,350 Ω    2,125 Ω
1000 V   700 Ω       1,050 Ω    1,500 Ω

Véase también: Descarga eléctrica en Wikipedia

¡¡¡El cuerpo humano no es una resistencia!!! No es lineal. Contiene:

• electrolitos y se comportan de manera muy diferente a diferentes voltajes o corrientes
• células (biológicas), algunas de ellas actúan como pequeños condensadores y conducen la alta frecuencia mejor que una simple resistencia

La potencia capaz de detener el corazón humano o provocar una fibrilación ventricular puede ser menor de lo que se piensa.

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RESPUESTA A LA PREGUNTA 2

No estoy seguro de si esto es lo que quieres. Este es un circuito equivalente muy simplificado para la bola de plasma y el ser humano:

(perdón por la mala calidad de la imagen, sólo tengo paint en este portátil)

Si calculas la tensión en las resistencias, te darás cuenta de que el tipo con bigote recibe una tensión muy pequeña. La mayor parte está en la resistencia del vidrio. No estoy seguro de lo grande que la resistencia de vidrio puede ser (depende del tipo de vidrio, espesor, etc), pero estoy casi seguro de que es más de 1Gohm. Si alguien piensa que estoy equivocado - por favor deje un comentario, voy a corregir eso.

A 30kV, 1Gohm de resistencia del vidrio y 10k de resistencia del cuerpo - se obtienen sólo ~3 voltios y la corriente es de ~3uA.

Sin embargo, el ser humano no es una resistencia, y el vidrio funciona como condensador. Para altas frecuencias eso cambia mucho la impedancia, y la impedancia del vidrio será mucho menor para frecuencias más altas.

En mi esquema condensador es completamente desconocido, porque es muy difícil determinarlo. Depende de la cantidad de superficie de la piel está en contacto con el vidrio.

Condensador impedancia es inversamente proporcional a la frecuencia.

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RESPUESTA A LA PREGUNTA 3

Creo que debe ser la frecuencia lo suficientemente alta como para pasar corriente a través de vidrio (como he mencionado antes - que actúa como condensador). El plasma es un electrodo, el vidrio es el aislante y tu dedo es otro electrodo condensador.

Los condensadores tienen baja impedancia a alta frecuencia y alta impedancia a baja frecuencia.

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RESPUESTA CORTA A LA PREGUNTA 4

La parte conectada a tierra se muestra en el esquema (¡está simplificado!)

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RESPUESTA CORTA A LA PREGUNTA 5

Esto es relativamente seguro porque hay un cristal entre usted y la fuente de 30kV. Como he mencionado antes, es un condensador y una resistencia de muy alto valor conectados en paralelo. Puedes calcular la corriente o el voltaje en el cuerpo humano si esa "resistencia de vidrio" fuera de 10kOhm en lugar de 1GOhm.

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RESPUESTA CORTA A LA PREGUNTA 6

Jugar con kilovoltios siempre es peligroso.

Sin embargo, 15-30kV a 1-5kHz de un transformador de muy baja potencia no deberían hacerte daño si hay un cristal lo suficientemente grueso entre tu cuerpo y el plasma/arco eléctrico.

Answer 2

La alimentación de alta frecuencia es para crear las "cositas de filamentos de plasma" en lugar de sólo rayos (no estoy seguro de cuál es el término adecuado para las formaciones de plasma, así que he utilizado el suyo). A altas frecuencias, no recibes una descarga propiamente dicha; la mayoría de las veces lo único que sentirás es calor. Su cuerpo no responde de la misma manera a frecuencias más altas, en parte porque la electricidad no funciona de la misma manera a frecuencias más altas. No estoy seguro de las cuestiones de seguridad, ya que no he investigado los globos de plasma (he trabajado bastante con plasma, pero no con productos fabricados comercialmente).