Una bobina de inducción, cuyo primario funciona a seis voltios, proporciona alta tensión pulsante a través de los extremos de un tubo de descarga, en cada uno de los cuales hay una placa circular con un diámetro aproximadamente igual al diámetro interior del tubo. La distancia entre los electrodos es de unos 71,5 cm, y el diámetro interior del tubo es de unos 4,5 cm. Se puede evacuar el tubo conectando una bomba de vacío al brazo lateral del centro del tubo.
Con el tubo a presión atmosférica, cuando se enciende la bobina de inducción, su tensión de salida no es lo suficientemente alta como para lograr la ruptura. Al encender la bomba y empezar a evacuar el tubo, cuando la presión llega a varias decenas de torr, se ven cintas finas e intensas que abarcan el espacio entre los electrodos. A continuación, éstas se unen en una sola cinta más amplia. Luego, todo el espacio entre los electrodos se ilumina. Finalmente, aparecen estrías en la sección central. Si se bombea durante varios minutos, el tercio central, más o menos, del tubo se oscurece en relación con los extremos. El gas brillante que llena el tubo es un plasma, que puedes desviar de varias maneras con el imán que se muestra en la fotografía.
Esta demostración muestra un tipo de descarga eléctrica a través de un gas, llamada descarga brillante. Las demostraciones 56.32 — Máquinas de Wimshurst, 56.45 — Chispas con el generador de Van de Graaff, 56.54 — Pararrayos y 60.06 — Escalera de Jacob implican un fenómeno similar, la descomposición eléctrica del aire, con los arcos resultantes. (La demostración 56.54 también implica una descarga de corona, y la 60.21 — Chispa de condensador y la 72.54 — Chispa de inductor también producen arcos impresionantes). A diferencia de un arco, una descarga luminosa tiene una estructura; tiene zonas brillantes y oscuras en lugares específicos, como describe el texto siguiente.
La descarga luminosa es la formación de un plasma por la descomposición eléctrica de un gas. Normalmente, los gases son aislantes. Debido a los rayos cósmicos u otra radiación natural de fondo, un volumen de gas contiene unos pocos electrones generados al azar. Cuando se coloca un alto voltaje a través de dos electrodos en el gas, estos electrones se aceleran en el campo eléctrico entre los electrodos. Si el camino libre medio de los electrones es lo suficientemente largo como para que a lo largo de esa distancia adquieran la energía suficiente para ionizar una molécula de gas, esto libera más electrones, que entonces ionizan más moléculas de gas. Los iones así formados también pueden expulsar electrones al colisionar con el electrodo negativo (el cátodo). Las diversas colisiones entre electrones, iones y moléculas de gas neutro dan lugar a la descomposición, y se mantiene una corriente entre el cátodo y el ánodo del tubo de descarga. El plasma así formado es una mezcla eléctricamente neutra de electrones, iones positivos y moléculas de gas neutro excitadas electrónicamente. Es la emisión de moléculas excitadas que se relajan a estados de energía más bajos lo que vemos como el resplandor.
Como indica lo anterior, hay una relación entre la presión del gas, la distancia entre los electrodos y la tensión mínima a la que se produce la ruptura. La tensión de ruptura, Vs, (por «tensión de chispa») es una función de p, la presión, y d, la distancia entre los electrodos. La forma exacta de esta función varía un poco según el gas de que se trate, pero sus características principales son las mismas. Tiene un mínimo que oscila entre uno y varios cientos de voltios, a una pd del orden de un torr-cm. A ambos lados de este mínimo, Vs aumenta. Esta curva refleja el comportamiento, tal vez sorprendente, de que, para una presión dada, y para una tensión aplicada por encima del mínimo, existe un rango de distancias entre electrodos en el que se produce la ruptura, pero si se separan demasiado los electrodos o se acercan demasiado, la tensión es insuficiente para provocar la ruptura. Esencialmente, esto se debe a que cuando los electrodos están demasiado juntos, el camino libre medio de los electrones es demasiado largo en relación con el hueco, y no se producen suficientes colisiones para provocar la ruptura. Sin embargo, cuando los electrodos están demasiado separados, el hueco es demasiado largo que el recorrido libre medio de los electrones, y éstos sufren tantas colisiones que nunca llegan al ánodo. La ley que establece la relación entre Vs, p y d se llama ley de Paschen, y la curva se denomina curva de Paschen, en honor a Friedrich Paschen, que las desarrolló a partir de las observaciones que hizo de las descargas en varios gases.
La naturaleza de la descarga, para una composición de gas determinada, depende de la presión, de la tensión a través de los electrodos y de la corriente a través del plasma. En esta demostración, la corriente no se controla, y se varía la presión bombeando a través del brazo lateral del tubo. (Se podría añadir una abrazadera o una válvula para poder mantener la presión en un valor determinado). Para un tubo de este tamaño, a presión atmosférica, se necesitarían probablemente entre 1.400 y 2.000 kilovoltios (o entre 1,4 y 2 millones de voltios aproximadamente) para lograr la ruptura, y el arco resultante sería similar a los que se ven con un generador de Van de Graaff. Dado que la bobina de inducción produce un potencial de varios kilovoltios, o tal vez varias decenas de kilovoltios, no podemos observar este tipo de ruptura en esta demostración.
Cuando se empieza a bombear el aire del tubo, en algún momento, probablemente varias decenas de torr, se ve una amplia descarga en forma de cinta a lo largo del tubo. (Cuando la presión llega a unos pocos torr, la descarga forma varias regiones claras y oscuras. Empezando por el cátodo, una descarga luminosa típica muestra una fina región brillante cerca del cátodo, separada de éste por una fina capa oscura llamada espacio oscuro de Aston. La fina región incandescente se denomina resplandor catódico. Al otro lado del resplandor catódico hay un espacio oscuro más amplio, llamado espacio oscuro catódico, o espacio oscuro de Crookes o Hittorf. A continuación, hay una región brillante llamada resplandor negativo, seguida de otro espacio oscuro llamado espacio oscuro de Faraday. Después del espacio oscuro de Faraday hay una larga región brillante llamada columna positiva, que llena la mayor parte de la distancia entre los electrodos. A veces, el extremo del ánodo de la columna positiva es más brillante que el resto; esto se denomina brillo del ánodo. Este extremo de la columna positiva está separado del ánodo por una región oscura llamada espacio oscuro del ánodo. Normalmente, para una presión y un voltaje aplicados, las dimensiones de las distintas regiones de la descarga luminosa están bastante bien definidas, y la columna positiva varía en función de la distancia entre los electrodos. En esta demostración, muchas de las características enumeradas anteriormente pueden no ser fácilmente visibles, y verá estrías en la columna positiva.
Si continúa bombeando, en algún momento la descarga se debilita y, si consigue que la presión sea lo suficientemente baja, probablemente por debajo de 1 militorr, se apaga. En esta demostración, puedes conseguir que la presión sea lo suficientemente baja como para oscurecer aproximadamente el tercio medio del tubo. Si se consiguiera una presión lo suficientemente baja, se necesitarían de nuevo varios cientos de kilovoltios para provocar la ruptura, y en este caso, se observaría poco o ningún brillo entre los electrodos, pero el vidrio emitiría una fluorescencia verdosa. Esta fluorescencia se debe a las colisiones de electrones de alta velocidad generadas en el cátodo, o rayos catódicos. En un tubo con electrodos perforados (los de esta demostración son sólidos), en estas condiciones se pueden ver puntos detrás de cada electrodo. Detrás del ánodo, son de los rayos catódicos. Detrás del cátodo, son de las colisiones con el cristal de los iones que han cruzado el tubo desde el ánodo, o rayos anódicos.
Como se ha señalado anteriormente, el plasma que compone la descarga (o al menos las partes donde el brillo es más fuerte) es una mezcla eléctricamente neutra de electrones, iones y moléculas neutras excitadas (o, en un gas monatómico, átomos). Los electrones fluyen del cátodo al ánodo, y los iones se mueven en la dirección opuesta. Por lo tanto, al sostener el imán que se muestra en la fotografía cerca del lado del tubo, se produce un qv × B, y los electrones y los iones sufren una fuerza lateral. Como ambos tipos de partículas viajan en direcciones opuestas, pero también tienen signo contrario, se desvían juntas. Así que cuando se acerca el imán al tubo, el plasma se dobla alrededor de la zona donde se sujeta el polo del imán, y se puede mover la curva a medida que se cambia la orientación del imán.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (Londres: Methuen & Co., Ltd., 1966) pp. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Gaseous Conductors: Theory and Engineering Applications (Nueva York: Dover Publications, Inc., 1958) pp. 162-9, 205-7, 212-14.