Plasma Tweeter

Plasma tweeter di

Alessandro Cacioppo

Anno 2008/2009 ITIS Giorgi 5°ELT

[Genova]

Plasma tweeter

Introduzione:

Appassionato del mondo dell’Hi-Fi, vengo a conoscenza di un tweeter

(Altoparlante destinato a riprodurre i suoni alti, dalla gamma vocale in su) per

appassionati audiofili prodotti negli anni ’60, il quale funzionava senza parti

meccaniche in movimento, fatto che gli conferiva una velocissima risposta e

un’ottima efficienza.

Questo tweeter produceva il suono da una scarica elettrica ad altissima

tensione, cosa che fece molto scalpore all’epoca; poche sono state le ditte che

hanno cercato di rendere questo un prodotto commerciale, principalmente per

due motivi: costo della realizzazione e difficili tarature. In quegli anni infatti si

disponeva solo di valvole termoioniche e pochi altri componenti (ben lontano

dall’elettronica moderna basata principalmente su circuiti integrati); questo

rendeva quindi molto costosi i dispositivi elettronici, soprattutto della branca

audio hi-fi.

Ricordiamo alcuni marchi quali Ionovac, Acapella e Magnat che realizzavano

suddetto dispositivo; per il resto veniva autocostruito da esperti del settore

audio ed elettronico.

Il fatto più incredibile è pensare che una scintilla possa riprodurre un segnale

udibile, definito e irregolare quale la musica (è talmente al di fuori dalla nostra

concezione, che solo vedendolo ci si riesce a credere), questo mi spinse

principalmente a realizzarne un prototipo similare; volevo infatti poter

assaporare questo effetto avvolgente omnidirezionale da molti descritto, il

“calore” del suono (a differenza di quello prodotto da un metallico tweeter a

membrana) e la vasta gamma di frequenze alte e altissime dai 2 kHz oltre i

22 kHz.

Teoria

Il plasma

In fisica e chimica, un plasma è un gas ionizzato, costituito da un insieme di

elettroni e ioni e globalmente neutro (la cui carica elettrica totale è cioè nulla).

Essendo però costituito da particelle cariche, i moti complessivi delle particelle

del plasma sono in gran parte dovuti alle forze a lungo raggio che si vengono

continuamente a creare, e che tendono a mantenere il plasma neutro; questo

fatto stabilisce una differenza importante rispetto ai gas ordinari, nei quali i

moti delle particelle sono dovuti a forze che si estendono al massimo per

qualche primo vicino. In quanto tale, il plasma è considerato come il quarto

stato della materia, che si distingue quindi dal solido, il liquido e il gas.

“Ionizzato” in questo caso significa che una frazione significativamente grande

di elettroni è stata strappata dagli atomi.

Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di

elettricità, e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici. Questo quarto

stato della materia fu identificato da Sir William Crookes nel 1879 e chiamato

“plasma” da Irving Langmuir nel 1928. Le ricerche di Sir Crookes portarono

alla realizzazione dei cosiddetti tubi di Crookes, che erano gli antenati dei tubi

catodici e delle lampade al neon.

Mentre sulla terra la presenza del plasma è relativamente rara (fanno

eccezione i fulmini, le aurore boreali e le fiamme), nell’universo costituisce più

del 99% della materia conosciuta: si trovano sotto forma di plasma il Sole, le

stelle e le nebulose. Inoltre, si ha una formazione di plasma sullo scudo

termico dei veicoli spaziali al rientro nell’atmosfera.

Il plasma è spesso definito come “quarto stato” della materia: in questo senso,

esso riproduce l’idea dei quattro elementi, che storicamente si fa risalire al

filosofo greco Empedocle. I primi esperimenti riguardanti i plasmi coincidono

però con le prime scoperte sull’elettromagnetismo. Le prime scoperte sulle

proprietà delle scariche elettriche nei gas vengono fatte risalire al leggendario

esperimento di Benjamin Franklin, che scoprì la natura elettrica del fulmine:

nel giugno 1752, a Philadelphia, egli usò come dispositivo un aquilone, legato

all’estremità di un filo di canapa. All’altra estremità egli appese una chiave, e

portò l’aquilone vicino alle nuvole durante un temporale. Tenendo a distanza

con un nastro di seta l’estremità con la chiave, per proteggersi le mani, vide

che la chiave si muoveva per effetto dell’accumulo di cariche elettriche, e che

poteva caricare con questa una bottiglia di Leida (un tipo di esperienza che egli

aveva già effettuato nei suoi studi sull’elettrostatica).

Studi più precisi coincidono con la creazione dei primi tubi da vuoto, i tubi di

Crookes appunto, che Sir William Crookes cominciò a studiare negli anni

successivi al 1870 modificando il prototipo creato da Heinrich Geissler, che si

chiama appunto tubo di Geissler. Proprio un tubo simile a questo portò

Röntgen alla scoperta dei raggi X.

Gli studi sui plasmi rimasero però più che altro una curiosità: fanno eccezione

gli studi approfonditi di Irving Langmuir, che studiò in particolare (negli anni

successivi al 1920) l’interazione dei plasmi con le pareti del contenitore nei

quali i plasmi stessi venivano formati: proprio per questi studi egli vinse il

premio Nobel nel 1932. L’interesse sistematico per lo studio dei plasmi inizia

invece alla fine degli anni cinquanta, quando la Conferenza di Ginevra “Atoms

for peace” sancisce l’inizio degli studi su uno sfruttamento pacifico della

Fusione nucleare. Contemporanea è la costituzione dell’Agenzia Internazionale

per l’Energia Atomica (IAEA, 1957).

Più o meno nello stesso periodo cominciano i primi studi sugli effetti di un

campo magnetico sui gas ionizzati (per es. della ionosfera) compiuti dal fisico

svedese Hannes Alfvén, che lo porteranno a vincere il premio Nobel nel 1970.

Questi studi porteranno alla spiegazione del meccanismo delle fasce di Van

Allen in termini di moti di ioni ed elettroni.

Oggi la fisica del plasma è un settore in piena espansione, non solo per quanto

riguarda la Fusione nucleare, ma anche le applicazioni industriali (trattamento

di superfici, il taglio al plasma, gli schermi al plasma) e la propulsione spaziale.

Il tuono

Ma è possibile che il plasma generi un suono?

Pensiamo al tuono…

Il tuono è il rumore, improvviso e forte, provocato dal fulmine. Il fulmine causa

un forte aumento di pressione e temperatura che provoca la rapida espansione

dell’aria attraversata dal lampo. A sua volta, questa espansione d’aria produce

un’onda d’urto che si manifesta col rumore del tuono.

La prima teoria sulle cause del tuono di cui si ha traccia è attribuita al filosofo

greco Aristotele, nel 300 a.C., ed una speculazione precedente che faceva

riferimento alla collisione di nuvole. Si susseguirono molte altre teorie: nella

metà del XIX secolo si accettava l’idea che il fulmine producesse il vuoto.

L’idea accettata oggi dice che il tuono è causato dall’enorme spostamento

d’aria che il fulmine crea nell’atmosfera quando scocca. L’aria nei canali

ionizzati che compongono il fulmine viene riscaldata a circa 28.000°C: ciò crea

un’espansione in volume del canale ad una velocità più alta di quella del suono.

Ne consegue un’onda d’urto, simile a quella di un’esplosione o di un aereo

supersonico; ed è proprio l’onda d’urto che genera il tuono, che può essere

udito come un colpo secco e improvviso se il fulmine è scoccato vicino

all’osservatore; come un rumore diffuso e tenue se scocca in lontananza, per

effetto dell’eco e del rimbombo.

Il tweeter

I tweeter sono chiamati a riprodurre le frequenze alte, comprese fra l’estremo