Indukční cívka, jejíž primární napětí je šest voltů, dodává pulzující vysoké napětí přes konce výbojové trubice, na jejímž každém konci je kruhová deska o průměru zhruba rovném vnitřnímu průměru trubice. Vzdálenost mezi elektrodami je asi 71,5 cm a vnitřní průměr trubice je asi 4,5 cm. Trubici můžete evakuovat připojením vývěvy k bočnímu rameni uprostřed trubice.
Při atmosférickém tlaku v trubici, když zapnete indukční cívku, není její výstupní napětí dostatečně vysoké, aby došlo k průrazu. Když zapnete čerpadlo a začnete trubici evakuovat, když tlak dosáhne několika desítek torrů, uvidíte tenké, intenzivní stužky, které se rozprostírají v prostoru mezi elektrodami. Ty se pak spojí v širší jedinou stuhu. Pak se celý prostor mezi elektrodami rozsvítí. Nakonec se ve střední části objeví pruhy. Pokud budete pumpovat několik minut, prostřední třetina zkumavky oproti jejím koncům ztmavne. Žhavý plyn, který vyplňuje trubici, je plazma, kterou můžete různými způsoby vychýlit pomocí magnetu zobrazeného na fotografii.
Tato ukázka ukazuje typ elektrického výboje v plynu, který se nazývá žhavicí výboj. Demonstrace 56.32 — Wimshurstovy stroje, 56.45 — Jiskry s Van de Graaffovým generátorem, 56.54 — Bleskojistka a 60.06 — Jákobův žebřík zahrnují podobný jev, elektrický rozklad vzduchu s výsledným obloukem. (Demonstrace 56.54 zahrnuje také korónový výboj a 60.21 — Jiskření kondenzátorem a 72.54 — Jiskření induktorem také přinášejí působivé oblouky). Na rozdíl od oblouku má žhavý výboj strukturu; má světlé a tmavé oblasti na určitých místech, jak popisuje následující text.
Žhavý výboj je vznik plazmatu elektrickým rozkladem plynu. Za normálních okolností jsou plyny izolanty. Vlivem kosmického záření nebo jiného přírodního záření na pozadí obsahuje objem plynu několik náhodně vzniklých elektronů. Když na dvě elektrody v plynu umístíte vysoké napětí, tyto elektrony se v elektrickém poli mezi elektrodami urychlí. Je-li střední volná dráha elektronů dostatečně dlouhá, aby na této vzdálenosti získaly dostatečnou energii k ionizaci molekuly plynu, uvolní se další elektrony, které pak ionizují další molekuly plynu. Takto vzniklé ionty mohou také vyrážet elektrony při srážce se zápornou elektrodou (katodou). Různé srážky mezi elektrony, ionty a neutrálními molekulami plynu vedou k průrazu a mezi katodou a anodou výbojky se udržuje proud. Takto vzniklé plazma je elektricky neutrální směs elektronů, kladných iontů a elektronicky vybuzených neutrálních molekul plynu. Právě emise excitovaných molekul, které se uvolňují do nižších energetických stavů, vidíme jako záři.
Jak vyplývá z výše uvedeného, existuje vztah mezi tlakem plynu, vzdáleností mezi elektrodami a minimálním napětím, při kterém dochází k průrazu. Průrazné napětí Vs (pro „jiskrové napětí“) je funkcí p, tlaku, a d, vzdálenosti mezi elektrodami. Přesný tvar této funkce se poněkud liší podle konkrétního plynu, ale její hlavní rysy zůstávají stejné. Její minimum se pohybuje od jednoho do několika set voltů při pd v řádu jednoho torr-cm. Na obě strany od tohoto minima Vs stoupá. Tato křivka odráží možná překvapivé chování, že při daném tlaku a určitém přiloženém napětí nad minimem existuje rozsah vzdáleností elektrod, v němž dochází k průrazu, ale pokud se elektrody pohybují buď příliš daleko od sebe, nebo příliš blízko u sebe, napětí nestačí k průrazu. V podstatě je to proto, že když jsou elektrody příliš blízko u sebe, střední volná dráha elektronů je vzhledem k mezeře příliš dlouhá a nedochází k dostatečnému počtu srážek, aby došlo k průrazu. Jsou-li však elektrody příliš daleko od sebe, je mezera příliš dlouhá než střední volná dráha elektronů a elektrony se dostanou do takového množství srážek, že k anodě nikdy nedorazí. Zákon udávající vztah mezi Vs, p a d se nazývá Paschenův zákon a křivka se nazývá Paschenova křivka podle Friedricha Paschena, který je vypracoval na základě pozorování výbojů v různých plynech.
Podoba výboje pro dané složení plynu závisí na tlaku, napětí na elektrodách a proudu procházejícím plazmatem. V této demonstraci není proud řízen a tlak měníte čerpáním přes boční rameno trubice. (Pro udržení tlaku na určité hodnotě by bylo možné přidat svorku nebo ventil.) U trubice této velikosti by při atmosférickém tlaku bylo k dosažení průrazu zapotřebí pravděpodobně asi 1 400 až 2 000 kilovoltů (nebo asi 1,4 až 2 miliony voltů) a výsledný oblouk by byl podobný těm, které vidíme u Van de Graaffova generátoru. Protože indukční cívka vytváří potenciál několika kilovoltů nebo možná několika desítek kilovoltů, nemůžeme tento typ průrazu při této demonstraci pozorovat.
Jakmile začnete z trubice odčerpávat vzduch, v určitém okamžiku, pravděpodobně v řádu několika desítek torrů, uvidíte široký, stuhovitý výboj po celé délce trubice. (Ten při prvním průrazu začíná jako několik tenkých stužek.) Když tlak dosáhne několika torrů, výboj vytvoří různé světlé a tmavé oblasti. Počínaje katodou vykazuje typický žhavý výboj tenkou svítící oblast v blízkosti katody, od níž je oddělen tenkou tmavou vrstvou nazývanou Astonův tmavý prostor. Tato tenká svítící oblast se nazývá katodový žár. Na druhé straně katodové záře je širší tmavý prostor, nazývaný katodový tmavý prostor nebo Crookesův či Hittorfův tmavý prostor. Dále následuje zářící oblast nazývaná záporná záře a za ní další tmavý prostor nazývaný Faradayův tmavý prostor. Za Faradayovým temným prostorem následuje dlouhá zářící oblast zvaná kladný sloupec, která vyplňuje většinu vzdálenosti mezi elektrodami. Někdy je anodový konec kladného sloupce jasnější než zbytek; tomu se říká anodová záře. Tento konec kladného sloupce je od anody oddělen tmavou oblastí nazývanou anodový temný prostor. Obvykle jsou pro daný tlak a použité napětí rozměry různých oblastí žhavého výboje poměrně dobře definovány, přičemž kladný sloupec se mění v závislosti na vzdálenosti mezi elektrodami. Při této demonstraci nemusí být mnohé z výše uvedených rysů dobře viditelné a v kladném sloupci uvidíte pruhy.
Pokračujete-li v čerpání, v určitém okamžiku výboj zeslábne, a pokud dosáhnete dostatečně nízkého tlaku, pravděpodobně pod 1 militorr, zhasne. V této ukázce můžete tlak snížit natolik, že ztmavne zhruba prostřední třetina trubice. Pokud by se vám podařilo dosáhnout dostatečně nízkého tlaku, potřebovali byste opět několik set kilovoltů, aby došlo k průrazu, a v tomto případě byste pozorovali jen malou nebo žádnou záři mezi elektrodami, ale sklo by vyzařovalo nazelenalou fluorescenci. Tato fluorescence je způsobena srážkami vysokorychlostních elektronů generovaných na katodě neboli katodovým zářením. V trubici s perforovanými elektrodami (ty v této ukázce jsou plné) můžete za těchto podmínek vidět tečky za každou elektrodou. Ty jsou za anodou od katodových paprsků. Za katodou jsou ze srážek se sklem iontů, které prošly trubicí od anody, neboli anodové paprsky.
Jak bylo uvedeno výše, plazma, které tvoří výboj (nebo alespoň části, kde je záře nejsilnější), je elektricky neutrální směs elektronů, iontů a excitovaných neutrálních molekul (nebo v jednoatomovém plynu atomů). Elektrony proudí od katody k anodě a ionty se pohybují opačným směrem. Když tedy podržíte magnet zobrazený na fotografii poblíž boku trubice, vznikne qv × B a elektrony a ionty utrpí boční sílu. Protože se oba typy částic pohybují v opačných směrech, ale mají také opačné znaménko, jsou vychýleny společně. Když tedy přiblížíte magnet k trubici, plazma se ohne kolem oblasti, kde držíte pól magnetu, a tento ohyb můžete posouvat, když měníte orientaci magnetu.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (London: Methuen & Co., Ltd., 1966) str. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Gaseous Conductors (Plynné vodiče): Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc, 1958) str. 162-9, 205-7, 212-14.
.