A csillagszórók fizikája

Békés, boldog ünnepeket, és jó pihenést kívánunk!

A csillagszórók fizikája

1. oldal

A csillagszóró a világ legegyszerűbb tűzijátéka: egy drótdarabot vastagon bevonnak egy különböző éghető anyagokat tartalmazó masszával, és amikor ez az anyag elég, mindenfelé színes vagy fehér szikrák pattognak belőle. A jelenségnek látványosságán kívül nagyon érdekes a fizikai háttere is.

A legizgalmasabb, és talán legmeglepőbbtény a csillagszórókkal kapcsolatban, hogy a pattogó szikrák rendkívül forróak. Attól függően, hogy milyen gyártmányt kezdünk lóbálni a karácsonyfa mellett (bár ezt nagyon száraz fa esetén inkább ne tegyük), a rudacskákból kiinduló villanások hőmérséklete 1000‒1600 °C között alakulhat. Ez pedig tényleg roppant melegnek tűnik, tekintve, hogy a vas olvadáspontja 1500 °C. A hagyományos izzókban az izzószál hőmérséklete ugyan magasabb ennél, nagyjából 2500 °C-os, ehhez viszont normális esetben nem érünk hozzá meztelen bőrünkkel.

Felmerülhet tehát a kérdés, hogy hogyan lehetséges az, hogy a csillagszórókat különösebb veszélyek nélkül használhatjuk. A kezünkbe fogott égő rúdból kiinduló szikrák gyakran elérik a bőrünket, mégsem szenvedünk égési sérüléseket. Ennek egyik oka, hogy a szikrák ugyan nagyon forrók, hőenergiájuk viszont alacsony tömegük miatt nem lesz jelentős, így nem is tudják annyira felmelegíteni bőrünket, hogy károkat okozzanak abban.

A dolog hasonlóan működik, mint az alufólia esetében. Míg a sütőből kivett étel néhány perc elteltével még mindig tűzforró, az alufólia, amelyen sült, a kivétel pillanatában sem fogja megégetni a kezünket (hacsak nem nagyon vastag fajtáról van szó). A hőmérséklete persze ennek is az ételéhez hasonlóan magas, de mivel nagyon vékony, és alacsony tömegű, nincs annyi energiája, amivel kárt okozhatna ujjainkban.

A másik ok, amiért a csillagszóró nem bántja bőrünket, a szikrák mérete. Mivel nagyon picike kiterjedésű szikrákról van szó, ezek nem képesek hosszú ideig forrók maradni, a kisebb dolgok ugyanis gyorsabban hűlnek, mint a nagyok. Az alufóliás példára visszatérve, míg az étel még egy fél órával a sütőből való kivétel után is meleg marad (feltéve persze, hogy a kinti hőmérséklet nem túlságosan hideg), az alufólia kis térfogatának köszönhetően pár perc alatt felveszi a környezet hőmérsékletét.

De hasonló a helyzet, ha veszünk egy fémből álló kockát. Ez felforrósítva nyolcadannyi hőenergiát tárol, mint egy kétszer akkora élhosszúságú kocka. A térfogat mellett azonban az objektum levegővel érintkező felületeinek nagysága sem lényegtelen, ami a hűlés sebességét illeti. A kockák esetében a dupla élhosszúságú darab négyszer akkora felületen adja le a hőenergiát, mint a kisebb kocka. Együttesen mindez azt jelenti, hogy a nagyobb kocka több hőenergiával rendelkezik ugyan, de felülete nem annyival nagyobb a kisebb kockáénál, hogy ezt azonos sebességgel tudná leadni, így lassabban fog hűlni annál.

A csillagszóró szikrái viszont nagyon-nagyon picik, ugyanakkor térfogatukhoz viszonyítva óriási felületen adhatják le hőenergiájukat, így gyorsan lehűlnek. Azt ugyanakkor nem árt figyelembe venni, hogy bár a szikrák bennünk nem fognak kárt tenni, ha nagyon száraz a karácsonyfa, azt esetleg belobbanthatják, így tanácsosabb a fa helyett a szobanövények fölött, vagy a szabadban csillagszórózni.

Első pillantásra azt hihetnénk, hogy mivel a csillagszórót nyílt lánggal gyújtjuk meg, annak fénye az izzólámpákéhoz hasonlóan a magas hőmérséklet eredménye lesz. Fekete testnek a fizikusok azt az ideális testet nevezik, amely bármilyen hullámhosszú elektromágneses sugárzást teljesen elnyel. Ez azonban nem jelenti azt, hogy maga a fekete test ne sugározna, sőt: ezekben a testekben az az érdekes, hogy az általuk kibocsátott sugárzás hullámhossza a hőmérsékletüktől függ. Az ilyen testek, vagy közelítően fekete testek tehát hőmérsékletük függvényében különböző színekben fognak izzani: a hidegebbek az infravörös tartományban, a melegebbek vörösen, a még melegebbek pedig egyre fehérebb fényt adnak ki.

2. oldal

A alábbi ábrára kattintva az is kipróbálható, hogy pontosan milyen színek és hullámhosszak köthetők az egyes hőmérsékletekhez. Ha a csillagszóró legmagasabb hőmérsékletére, 1900 kelvinre állítjuk a csúszkát, láthatjuk, hogy a feketetest-sugárzás java ebben az esetben a látható tartományon kívülre esik, a látható tartományból pedig a vörös lesz a legintenzívebb, vagyis a tárgy vörösen fog izzani. Ahhoz, hogy a csillagszóróknál megszokott fehér színig eljussunk, legalább 5000 kelvines hőmérséklet kellene (ekkor ér a görbe maximuma a zöld tartományba), vagyis csak a feketetest-sugárzással nem magyarázható meg a szikrák színe.

Hevítésen túl azonban létezik egy másik mód is arra, hogy egy tárgyból fényt nyerjünk ki. Míg az izzólámpák az előbbi módon, feketetest-sugárzásuknak köszönhetően világítanak, a fénycsövekben gerjesztett állapotú gáz, illetve fénypor bocsátja ki a fényt. Ezek úgy működnek, hogy belsejükben egy izzószál elektronokat bocsát ki, amelyek a másik izzószál, az anód felé törekedve nagy mozgási energiára tesznek szert. Ezek a gyors elektronok beleütköznek a csőben lévő gáz atomjaiba, és gerjesztett állapotba hozzák azokat, magasabb energiájú pályákra kényszerítve az atommagok körül keringő elektronokat.

Az elektronok azonban idővel visszatérnek eredeti pályájukra, az energiatöbbletet pedig fotonok formájában adják le. Az így létrejött sugárzás az ultraibolya tartományba esik, és ez fogja gerjeszteni a fénycső belső felén található fényport, amely már látható sugárzást bocsát ki. A kisugárzott fény színe a fénypor összetételétől függ, mivel ennek függvénye, hogy milyen távolságra vannak egymástól azok az elektronhéjak, amelyek közt gerjesztett állapotban az elektronok ugrálnak.

Gerjesztett állapotba azonban az atomokon kívül molekulák is kerülhetnek, és végső soron ez magyarázza meg a csillagszórók fehér, zöld vagy más árnyalatú szikráinak létezését. Ha a bárium-klorid hevítéssel magasabb energiaállapotba kerül, az eredeti energiaszintjükre visszatérő elektronok a zöld tartománynak megfelelő hullámhosszú fotonokat fognak kisugározni, így kaphatunk tehát zöld szikrákat. A fehér szikrákhoz pedig többnyire magnéziumot, vagy alumíniumot kevernek a drótra felvitt masszába. A csillagszórók tehát nem úgy működnek, mint egy izzólámpa, hanem inkább a fénycsövekre hasonlítanak.

A csillagszórók készítésekor ennek megfelelően először is szükség van valamilyen anyagra, amely 1000‒1600 °C-ra hevítve gerjesztett állapotba kerül, és a plusz energiát a látható tartományban sugározza ki. Ahogy már említettük, az alumínium és a magnézium fehér, a bárium-klorid zöld, a vas narancssárga, a titán fehér, a titán-vas ötvözetek pedig aranysárga színben szikráznak. Ezen kívül kell még valamilyen éghető anyagra, amely szabályozza, lassítja az égés sebességét, ez általában kén vagy szén szokott lenni.

A harmadik kihagyhatatlan összetevőt valamilyen oxidálószer jelenti (pl. kálium-nitrát vagy bárium-nitrát), amely hevesebbé teszi az égési folyamatot. Végül pedig kell valamilyen éghető kötőanyag (mondjuk dextrin vagy cellulóz-nitrát) is, amely révén masszává formálható és a fémdrótra felvihető a keverék. Különböző pirotechnikai színezőanyagok, például fémsók hozzáadásával további színeket is létre lehet hozni. Ha pedig kész a csillagszórónk, akár magunk csináltuk, akár a boltban vettük, nincs is más dolgunk, mint meggyújtani, és gyönyörködni a látványban.

Békés, boldog ünnepeket, és jó pihenést kívánunk!

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward