Eine Induktionsspule, deren Primärseite mit sechs Volt arbeitet, liefert eine pulsierende Hochspannung über die Enden einer Entladungsröhre, an deren Enden sich jeweils eine kreisförmige Platte befindet, deren Durchmesser etwa dem Innendurchmesser der Röhre entspricht. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt etwa 71,5 cm, und der Innendurchmesser der Röhre beträgt etwa 4,5 cm. Man kann die Röhre evakuieren, indem man eine Vakuumpumpe an den Seitenarm in der Mitte der Röhre anschließt.
Wenn die Röhre unter Atmosphärendruck steht und man die Induktionsspule einschaltet, ist ihre Ausgangsspannung nicht hoch genug, um einen Durchschlag zu erreichen. Wenn man die Pumpe einschaltet und beginnt, die Röhre zu evakuieren, sieht man bei einem Druck von einigen zehn Torr dünne, intensive Bänder, die den Raum zwischen den Elektroden überspannen. Diese verschmelzen dann zu einem breiteren, einzelnen Band. Dann leuchtet der gesamte Raum zwischen den Elektroden auf. Schließlich erscheinen im mittleren Bereich Streifen. Wenn Sie mehrere Minuten lang pumpen, wird das mittlere Drittel der Röhre im Vergleich zu den Enden dunkel. Das glühende Gas, das die Röhre füllt, ist ein Plasma, das man mit dem Magneten, der auf dem Foto zu sehen ist, auf verschiedene Weise ablenken kann.
Diese Demonstration zeigt eine Art von elektrischer Entladung durch ein Gas, die sogenannte Glimmentladung. Die Demonstrationen 56.32 — Wimshurst-Maschinen, 56.45 — Funken mit dem Van-de-Graaff-Generator, 56.54 — Blitzableiter und 60.06 — Jakobsleiter zeigen alle ein ähnliches Phänomen, nämlich die elektrische Zersetzung von Luft mit daraus resultierenden Lichtbögen. (Bei der Demonstration 56.54 handelt es sich ebenfalls um eine Koronaentladung, und auch 60.21 – Kondensatorfunken und 72.54 – Induktionsfunken ergeben beeindruckende Lichtbögen). Im Gegensatz zu einem Lichtbogen hat eine Glimmentladung eine Struktur; sie weist an bestimmten Stellen helle und dunkle Bereiche auf, wie im folgenden Text beschrieben wird.
Glimmentladung ist die Bildung eines Plasmas durch die elektrische Zersetzung eines Gases. Normalerweise sind Gase Isolatoren. Aufgrund der kosmischen Strahlung oder anderer natürlicher Hintergrundstrahlung enthält ein Gasvolumen einige zufällig erzeugte Elektronen. Legt man eine Hochspannung an zwei Elektroden im Gas an, werden diese Elektronen im elektrischen Feld zwischen den Elektroden beschleunigt. Wenn die mittlere freie Weglänge der Elektronen lang genug ist, dass sie auf dieser Strecke genug Energie erhalten, um ein Gasmolekül zu ionisieren, werden weitere Elektronen freigesetzt, die dann weitere Gasmoleküle ionisieren. Die so gebildeten Ionen können auch Elektronen ausstoßen, wenn sie mit der negativen Elektrode (der Kathode) zusammenstoßen. Die verschiedenen Zusammenstöße zwischen Elektronen, Ionen und neutralen Gasmolekülen führen zu einem Zusammenbruch, und zwischen der Kathode und der Anode der Entladungsröhre wird ein Strom aufrechterhalten. Das so entstandene Plasma ist ein elektrisch neutrales Gemisch aus Elektronen, positiven Ionen und elektronisch angeregten neutralen Gasmolekülen. Es ist die Emission angeregter Moleküle, die sich zu niedrigeren Energiezuständen entspannen, die wir als Glühen wahrnehmen.
Wie oben angedeutet, gibt es eine Beziehung zwischen dem Gasdruck, dem Abstand zwischen den Elektroden und der Mindestspannung, bei der der Durchbruch erfolgt. Die Durchbruchspannung Vs (für „spark voltage“) ist eine Funktion von p, dem Druck, und d, dem Abstand zwischen den Elektroden. Die genaue Form dieser Funktion ist je nach Gas etwas unterschiedlich, aber ihre Hauptmerkmale bleiben gleich. Sie hat ein Minimum, das von etwa einem bis zu einigen hundert Volt reicht, bei einem pd in der Größenordnung von einem torr-cm. Zu beiden Seiten dieses Minimums steigt Vs an. Diese Kurve spiegelt das vielleicht überraschende Verhalten wider, dass es für einen gegebenen Druck und für eine angelegte Spannung oberhalb des Minimums einen Bereich von Elektrodenabständen gibt, in dem ein Durchbruch stattfindet, aber wenn man die Elektroden entweder zu weit voneinander entfernt oder zu nahe beieinander bewegt, reicht die Spannung nicht aus, um einen Durchbruch zu verursachen. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die mittlere freie Weglänge der Elektronen im Verhältnis zum Spalt zu lang ist, wenn die Elektroden zu nahe beieinander liegen, und nicht genügend Stöße stattfinden, um einen Durchbruch zu verursachen. Wenn die Elektroden jedoch zu weit voneinander entfernt sind, ist der Spalt zu viel länger als die mittlere freie Weglänge der Elektronen, und die Elektronen erleiden so viele Zusammenstöße, dass sie nie an der Anode ankommen. Das Gesetz, das die Beziehung zwischen Vs, p und d angibt, heißt Paschensches Gesetz, und die Kurve wird Paschenkurve genannt, nach Friedrich Paschen, der sie aus seinen Beobachtungen von Entladungen in verschiedenen Gasen entwickelte.
Die Art der Entladung hängt bei einer bestimmten Gaszusammensetzung vom Druck, der Spannung an den Elektroden und dem Strom durch das Plasma ab. In dieser Demonstration wird der Strom nicht kontrolliert, und man variiert den Druck, indem man durch den Seitenarm der Röhre pumpt. (Eine Klemme oder ein Ventil könnte hinzugefügt werden, um den Druck auf einem bestimmten Wert zu halten). Für eine Röhre dieser Größe wären bei Atmosphärendruck wahrscheinlich etwa 1.400 bis 2.000 Kilovolt (oder etwa 1,4 bis 2 Millionen Volt) erforderlich, um einen Durchschlag zu erreichen, und der entstehende Lichtbogen wäre ähnlich wie bei einem Van-de-Graaff-Generator. Da die Induktionsspule ein Potenzial von einigen Kilovolt oder vielleicht einigen zehn Kilovolt erzeugt, können wir diese Art von Durchschlag in dieser Demonstration nicht beobachten.
Wenn man beginnt, die Luft aus der Röhre zu pumpen, sieht man an einem bestimmten Punkt, wahrscheinlich einige zehn Torr, eine breite, bandartige Entladung entlang der Länge der Röhre. (Wenn der Druck einige Torr erreicht hat, bildet die Entladung verschiedene helle und dunkle Bereiche. Ausgehend von der Kathode weist eine typische Glimmentladung einen dünnen, glühenden Bereich in der Nähe der Kathode auf, von dem sie durch eine dünne dunkle Schicht, den Aston-Dunkelraum, getrennt ist. Der dünne glühende Bereich wird als Kathodenglut bezeichnet. Auf der anderen Seite des Kathodenglühens befindet sich ein breiterer dunkler Raum, der als Kathodendunkelraum, Crookes- oder Hittorf-Dunkelraum bezeichnet wird. Es folgt ein glühender Bereich, der als negatives Glühen bezeichnet wird, gefolgt von einem weiteren dunklen Raum, dem Faraday-Dunkelraum. Nach dem Faraday’schen Dunkelraum folgt ein langer glühender Bereich, die so genannte positive Säule, die den größten Teil des Abstands zwischen den Elektroden ausfüllt. Manchmal ist das Anodenende der positiven Säule heller als der Rest; dies wird als Anodenglühen bezeichnet. Dieses Ende der positiven Säule ist von der Anode durch einen dunklen Bereich getrennt, der als Anodendunkelraum bezeichnet wird. Bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Spannung sind die Dimensionen der verschiedenen Bereiche der Glimmentladung in der Regel recht gut definiert, wobei die positive Säule je nach Abstand zwischen den Elektroden variiert. In dieser Demonstration sind viele der oben genannten Merkmale nicht ohne weiteres sichtbar, und Sie werden Streifen in der positiven Säule sehen.
Wenn Sie weiter pumpen, wird die Entladung irgendwann schwächer, und wenn Sie den Druck niedrig genug einstellen, wahrscheinlich unter etwa 1 Millitorr, geht sie aus. In dieser Demonstration kann man den Druck so weit absenken, dass etwa das mittlere Drittel der Röhre verdunkelt wird. Wenn man den Druck niedrig genug einstellen könnte, bräuchte man wiederum mehrere hundert Kilovolt, um einen Durchschlag zu bewirken, und in diesem Fall würde man zwischen den Elektroden wenig oder gar kein Glühen beobachten, aber das Glas würde eine grünliche Fluoreszenz ausstrahlen. Diese Fluoreszenz ist auf Kollisionen von Hochgeschwindigkeitselektronen zurückzuführen, die an der Kathode erzeugt werden, oder auf Kathodenstrahlen. In einer Röhre mit perforierten Elektroden (die in dieser Demonstration sind massiv) sind unter diesen Bedingungen hinter jeder Elektrode Punkte zu sehen. Hinter der Anode stammen sie von den Kathodenstrahlen. Hinter der Kathode stammen sie von Zusammenstößen mit dem Glas von Ionen, die die Röhre von der Anode aus durchquert haben, oder von Anodenstrahlen.
Wie oben erwähnt, ist das Plasma, aus dem die Entladung besteht (oder zumindest die Teile, in denen das Glühen am stärksten ist), eine elektrisch neutrale Mischung aus Elektronen, Ionen und angeregten neutralen Molekülen (oder, in einem einatomigen Gas, Atomen). Die Elektronen fließen von der Kathode zur Anode, und die Ionen bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung. Hält man den auf dem Foto abgebildeten Magneten an den Rand der Röhre, entsteht ein qv × B, und die Elektronen und Ionen erfahren eine seitliche Kraft. Da sich beide Teilchenarten in entgegengesetzte Richtungen bewegen, aber auch entgegengesetzte Vorzeichen haben, werden sie gemeinsam abgelenkt. Wenn man also den Magneten in die Nähe der Röhre bringt, krümmt sich das Plasma um den Bereich, in dem man den Pol des Magneten hält, und man kann die Krümmung verschieben, wenn man die Ausrichtung des Magneten ändert.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (London: Methuen & Co., Ltd., 1966) S. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Gaseous Conductors: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) S. 162-9, 205-7, 212-14.