En induktionsspole, hvis primærspole arbejder ved seks volt, leverer pulserende højspænding over enderne af et udladningsrør, ved hver ende af hvilket der er en cirkulær plade med en diameter, der omtrent svarer til rørets diameter. Afstanden mellem elektroderne er ca. 71,5 cm, og rørets indvendig diameter er ca. 4,5 cm. Man kan evakuere røret ved at tilslutte en vakuumpumpe til sidearmen i midten af røret.
Med røret ved atmosfærisk tryk, når man tænder for induktionsspolen, er dens udgangsspænding ikke høj nok til at opnå nedbrydning. Når man tænder for pumpen og begynder at evakuere røret, når trykket når op på flere tiendedele torr, ser man tynde, intense bånd, der spænder over rummet mellem elektroderne. Disse bånd samler sig derefter til et bredere, enkelt bånd. Derefter lyser hele rummet mellem elektroderne op. Til sidst opstår der striber i den midterste del. Hvis man pumper i flere minutter, bliver den midterste tredjedel af røret mørkere i forhold til enderne. Den glødende gas, der fylder røret, er et plasma, som man kan afbøje på forskellige måder med den magnet, der er vist på billedet.
Denne demonstration viser en type elektrisk udladning gennem en gas, en såkaldt glødeudladning. Demonstrationerne 56.32 — Wimshurst-maskiner, 56.45 — Gnister med Van de Graaff-generatoren, 56.54 — Lynstang og 60.06 — Jakobs stige involverer alle et lignende fænomen, nemlig den elektriske nedbrydning af luft med deraf følgende lysbuer. (Demonstration 56.54 involverer også koronaudladning, og 60.21 — Kondensator gnist og 72.54 — Induktor gnist giver også imponerende lysbuer). I modsætning til en lysbue har en glødeudladning en struktur; den har lyse og mørke områder på bestemte steder, som teksten nedenfor beskriver.
Glødeudladning er dannelsen af et plasma ved elektrisk nedbrydning af en gas. Normalt er gasser isolatorer. På grund af kosmisk stråling eller anden naturlig baggrundsstråling indeholder et gasvolumen nogle få tilfældigt genererede elektroner. Når man sætter en høj spænding over to elektroder i gassen, accelereres disse elektroner i det elektriske felt mellem elektroderne. Hvis elektronernes gennemsnitlige frie vej er lang nok til, at de over denne afstand får nok energi til at ionisere et gasmolekyle, frigøres der flere elektroner, som derefter ioniserer flere gasmolekyler. De ioner, der således dannes, kan også udstøde elektroner, når de støder sammen med den negative elektrode (katoden). De forskellige kollisioner mellem elektroner, ioner og neutrale gasmolekyler resulterer i en nedbrydning, og der opretholdes en strøm mellem katoden og anoden i udladningsrøret. Det plasma, der således dannes, er en elektrisk neutral blanding af elektroner, positive ioner og elektronisk exciterede neutrale gasmolekyler. Det er emissionen af de exciterede molekyler, der slapper af til lavere energitilstande, som vi ser som glød.
Som det fremgår af ovenstående, er der en sammenhæng mellem gastrykket, afstanden mellem elektroderne og den minimumsspænding, ved hvilken der sker nedbrydning. Nedbrydningsspændingen, Vs, (for “gnistspænding”) er en funktion af p, trykket, og d, afstanden mellem elektroderne. Den nøjagtige form af denne funktion varierer noget alt efter den pågældende gas, men dens hovedtræk er de samme. Den har et minimum, der varierer fra ca. 1 til et par hundrede volt ved et pd i størrelsesordenen 1 torr-cm. På begge sider af dette minimum stiger Vs. Denne kurve afspejler den måske overraskende adfærd, at der for et givet tryk og for en bestemt påført spænding over minimumsværdien er et område af elektrodeafstande, hvor der sker nedbrydning, men hvis man flytter elektroderne enten for langt fra hinanden eller for tæt sammen, er spændingen utilstrækkelig til at forårsage nedbrydning. Det skyldes hovedsagelig, at når elektroderne er for tæt på hinanden, er elektronernes gennemsnitlige frie vej for lang i forhold til mellemrummet, og der sker ikke nok kollisioner til at forårsage nedbrydning. Når elektroderne derimod er for langt fra hinanden, er mellemrummet for meget længere end elektronernes gennemsnitlige frie vej, og elektronerne udsættes for så mange kollisioner, at de aldrig når frem til anoden. Loven, der angiver forholdet mellem Vs, p og d, kaldes Paschens lov, og kurven kaldes en Paschen-kurve, efter Friedrich Paschen, der udviklede dem ud fra observationer, han gjorde af udladninger i forskellige gasser.
Udladningens karakter afhænger for en given gassammensætning af trykket, spændingen over elektroderne og strømmen gennem plasmaet. I denne demonstration er strømmen ikke kontrolleret, og man varierer trykket ved at pumpe gennem rørets sidearm. (Man kunne tilføje en klemme eller ventil for at gøre det muligt at holde trykket på en bestemt værdi). For et rør af denne størrelse ville det ved atmosfærisk tryk sandsynligvis kræve ca. 1.400 til 2.000 kilovolt (eller mellem ca. 1,4 og 2 millioner volt) for at opnå nedbrydning, og den resulterende lysbue ville ligne den, man ser med en Van de Graaff-generator. Da induktionsspolen frembringer et potentiale på flere kilovolt eller måske flere tiendedele kilovolt, kan vi ikke observere denne type nedbrydning i denne demonstration.
Når man begynder at pumpe luften ud af røret, ser man på et tidspunkt, sandsynligvis flere tiendedele torr, en bred, båndformet udladning langs rørets længde. (Dette starter som flere tynde strømme, når nedbrydningen først sker.) Når trykket når op på nogle få torr, danner udladningen forskellige lyse og mørke områder. Med udgangspunkt i katoden udviser en typisk glødudladning et tyndt, glødende område nær katoden, der er adskilt fra denne af et tyndt mørkt lag kaldet Aston dark space. Det tynde glødende område kaldes katodens glød. På den anden side af katodens glød er der et bredere mørkt område, som kaldes katodemørkerummet eller Crookes- eller Hittorf-mørkerummet. Dernæst er der et glødende område, der kaldes det negative glødeområde, efterfulgt af et andet mørkt rum, der kaldes Faraday-mørkerummet. Efter Faraday-mørkerummet er der et langt glødende område, der kaldes den positive søjle, som fylder det meste af afstanden mellem elektroderne. Nogle gange er anodeenden af den positive søjle lysere end resten; dette kaldes anodeglød. Denne ende af den positive søjle er adskilt fra anoden af et mørkt område, der kaldes anodemørkerummet. For et givet tryk og en given spænding er dimensionerne af de forskellige områder af glødeudladningen normalt ret veldefinerede, idet den positive søjle varierer i forhold til afstanden mellem elektroderne. I denne demonstration er mange af de ovenfor nævnte træk måske ikke let synlige, og man vil se striber i den positive søjle.
Hvis man fortsætter med at pumpe, bliver udladningen på et tidspunkt svagere, og hvis man får trykket lavt nok, sandsynligvis under ca. 1 millitorr, slukker den. I denne demonstration kan man få trykket lavt nok til at mørklægge ca. den midterste tredjedel af røret. Hvis man kunne få trykket lavt nok, skulle man igen bruge flere hundrede kilovolt for at forårsage nedbrydning, og i dette tilfælde ville man observere lidt eller ingen glød mellem elektroderne, men glasset ville udstråle en grønlig fluorescens. Denne fluorescens skyldes kollisioner af højhastighedselektroner, der opstår ved katoden, eller katodestråler. I et rør med perforerede elektroder (i denne demonstration er de faste elektroder) kan man under disse betingelser se prikker bag hver elektrode. Bag anoden stammer disse fra katodestråler. Bag katoden stammer de fra kollisioner med glasset af ioner, der har krydset røret fra anoden, eller anodestråler.
Som nævnt ovenfor er det plasma, der udgør udladningen (eller i det mindste de dele, hvor gløden er stærkest), en elektrisk neutral blanding af elektroner, ioner og exciterede neutrale molekyler (eller, i en monatomisk gas, atomer). Elektronerne strømmer fra katoden til anoden, og ionerne bevæger sig i den modsatte retning. Når man holder den magnet, der er vist på billedet, tæt på siden af røret, opstår der en qv × B, og elektroner og ioner udsættes for en sideværts kraft. Da begge typer partikler bevæger sig i modsat retning, men også har modsat fortegn, bliver de afbøjet sammen. Så når man bringer magneten tæt på røret, bøjer plasmaet sig omkring det område, hvor man holder magnetens pol, og man kan flytte bøjningen rundt, når man ændrer magnetens orientering.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (London: Methuen & Co., Ltd., 1966) pp. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Gasformige ledere: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) s. 162-9, 205-7, 212-14.