Induktiokäämi, jonka ensiöjännite on kuusi volttia, syöttää sykkivää korkeajännitettä purkausputken päihin, jonka kummassakin päässä on pyöreä levy, jonka halkaisija on suurin piirtein putken sisähalkaisijan suuruinen. Elektrodien välinen etäisyys on noin 71,5 cm ja putken sisäsyvyys on noin 4,5 cm. Voit tyhjentää putken kytkemällä tyhjiöpumpun putken keskellä olevaan sivuvarteen.
Putken ollessa ilmanpaineessa, kun kytket induktiokelan päälle, sen ulostulojännite ei ole tarpeeksi korkea läpilyönnin saavuttamiseksi. Kun kytket pumpun päälle ja aloitat putken tyhjentämisen, kun paine nousee muutamaan kymmeneen torriin, näet ohuita, voimakkaita nauhoja, jotka ulottuvat elektrodien väliseen tilaan. Nämä sulautuvat sitten laajemmaksi, yhdeksi nauhaksi. Sitten koko elektrodien välinen tila syttyy. Lopulta keskiosaan ilmestyy raitoja. Jos pumppaat useita minuutteja, putken noin keskimmäinen kolmannes tummuu päihin nähden. Putken täyttävä hehkuva kaasu on plasmaa, jota voit ohjata eri tavoin kuvassa näkyvän magneetin avulla.
Tässä demonstraatiossa näytetään eräänlainen kaasun läpi tapahtuva sähköpurkaus, jota kutsutaan hehkupurkaukseksi. Näytöksissä 56.32 — Wimshurstin koneet, 56.45 — Kipinät Van de Graaffin generaattorilla, 56.54 — Salamanvarsi ja 60.06 — Jaakobin tikapuut liittyvät kaikki samanlaiseen ilmiöön, ilman sähköiseen hajoamiseen ja siitä aiheutuviin valokaariin. (Demonstraatio 56.54 sisältää myös koronapurkauksen, ja 60.21 — Kondensaattorikipinä ja 72.54 — Induktorikipinä tuottavat myös vaikuttavia valokaaria). Toisin kuin valokaarella, hehkupurkauksella on rakenne; siinä on kirkkaita ja tummia alueita tietyissä paikoissa, kuten alla olevassa tekstissä kuvataan.
Hehkupurkaus on plasman muodostumista kaasun sähköisen hajoamisen seurauksena. Normaalisti kaasut ovat eristeitä. Kosmisen säteilyn tai muun luonnollisen taustasäteilyn vuoksi kaasun tilavuus sisältää muutamia satunnaisesti syntyneitä elektroneja. Kun kaasuun asetetaan korkea jännite kahden elektrodin yli, nämä elektronit kiihtyvät elektrodien välisessä sähkökentässä. Jos elektronien keskimääräinen vapaa matka on niin pitkä, että ne saavat tällä matkalla tarpeeksi energiaa ionisoidakseen kaasumolekyylin, tämä vapauttaa lisää elektroneja, jotka sitten ionisoivat lisää kaasumolekyylejä. Näin muodostuneet ionit voivat myös irrottaa elektroneja törmätessään negatiiviseen elektrodiin (katodiin). Elektronien, ionien ja neutraalien kaasumolekyylien erilaiset törmäykset johtavat hajoamiseen, ja purkausputken katodin ja anodin välille syntyy virta. Näin muodostunut plasma on sähköisesti neutraali seos, joka koostuu elektroneista, positiivisista ioneista ja elektronisesti virittyneistä neutraaleista kaasumolekyyleistä. Alempiin energiatiloihin relaksoituvien jännittyneiden molekyylien emissio on se, jonka näemme hehkuna.
Kuten edellä esitetystä käy ilmi, kaasunpaineella, elektrodien välisellä etäisyydellä ja pienimmällä jännitteellä, jolla läpilyönti tapahtuu, on yhteys. Läpilyöntijännite Vs (kipinäjännite) on p:n, paineen, ja d:n, elektrodien välisen etäisyyden, funktio. Tämän funktion tarkka muoto vaihtelee jonkin verran kaasun mukaan, mutta sen pääpiirteet pysyvät samoina. Sen minimi vaihtelee noin yhdestä muutamaan sataan volttiin, kun pd on yhden torr-cm:n luokkaa. Tämän minimin molemmin puolin Vs nousee. Tämä käyrä kuvastaa sitä ehkä yllättävää käyttäytymistä, että tietyllä paineella ja jollakin minimiä suuremmalla jännitteellä elektrodien etäisyyksien välillä on alue, jolla läpilyönti tapahtuu, mutta jos elektrodit siirretään joko liian kauas toisistaan tai liian lähelle toisiaan, jännite ei riitä aiheuttamaan läpilyöntiä. Tämä johtuu pohjimmiltaan siitä, että kun elektrodit ovat liian lähellä toisiaan, elektronien keskimääräinen vapaa matka on liian pitkä suhteessa rakoon, eikä törmäyksiä tapahdu riittävästi läpilyönnin aikaansaamiseksi. Kun elektrodit ovat liian kaukana toisistaan, rako on liian paljon pidempi kuin elektronien keskimääräinen vapaa matka, ja elektronit kärsivät niin paljon törmäyksiä, etteivät ne koskaan pääse anodille. Vs:n, p:n ja d:n välistä suhdetta kuvaavaa lakia kutsutaan Paschenin laiksi ja käyrää Paschenin käyräksi Friedrich Paschenin mukaan, joka kehitti ne havainnoista, joita hän teki eri kaasujen purkauksista.
Purkauksen luonne tietyllä kaasukoostumuksella riippuu paineesta, elektrodien yli olevasta jännitteestä ja plasman läpi kulkevasta virrasta. Tässä demonstraatiossa virtaa ei säädetä, ja painetta vaihdellaan pumppaamalla putken sivuvarren kautta. (Paineen pitämiseksi tietyssä arvossa voitaisiin lisätä puristin tai venttiili). Tämän kokoisessa putkessa tarvittaisiin ilmakehän paineessa todennäköisesti noin 1 400-2 000 kilovolttia (tai noin 1,4-2 miljoonaa volttia) läpilyönnin aikaansaamiseksi, ja syntyvä valokaari olisi samanlainen kuin Van de Graaffin generaattorissa. Koska induktiokela tuottaa muutaman kilovoltin tai ehkä muutaman kymmenen kilovoltin potentiaalin, emme voi havaita tämäntyyppistä läpilyöntiä tässä demonstraatiossa.
Kun aletaan pumpata ilmaa ulos putkesta, jossain vaiheessa, luultavasti useiden kymmenien torrien kohdalla, nähdään laaja, nauhamainen purkaus pitkin putken pituutta. (Tämä alkaa useina ohuina viiruina, kun hajoaminen tapahtuu ensimmäisen kerran.) Kun paine nousee muutamaan torriin, purkaus muodostaa erilaisia vaaleita ja tummia alueita. Katodista alkaen tyypillisessä hehkupurkauksessa on ohut, hehkuva alue lähellä katodia, joka on erotettu katodista ohuella tummalla kerroksella, jota kutsutaan Astonin pimeäksi tilaksi. Ohutta hehkuvaa aluetta kutsutaan katodin hehkuksi. Katodin hehkun toisella puolella on laajempi pimeä tila, jota kutsutaan katodin pimeäksi tilaksi tai Crookesin tai Hittorfin pimeäksi tilaksi. Seuraavaksi on hehkuva alue, jota kutsutaan negatiiviseksi hehkuksi, ja sen jälkeen on toinen pimeä tila, jota kutsutaan Faradayn pimeäksi tilaksi. Faradayn pimeän tilan jälkeen on pitkä hehkuva alue, jota kutsutaan positiiviseksi pylvääksi ja joka täyttää suurimman osan elektrodien välisestä etäisyydestä. Joskus positiivisen pylvään anodin pää on muuta pylvästä kirkkaampi; tätä kutsutaan anodin hehkuksi. Positiivisen pylvään tämän pään erottaa anodista tumma alue, jota kutsutaan anodin pimeäksi tilaksi. Yleensä tietyllä paineella ja jännitteellä hehkupurkauksen eri alueiden mitat ovat melko tarkkaan määritellyt, ja positiivinen pylväs vaihtelee elektrodien välisen etäisyyden mukaan. Tässä demonstraatiossa monet edellä luetelluista piirteistä eivät välttämättä ole helposti havaittavissa, ja positiivisessa pylväässä näkyy raitoja.
Jatketaan pumppaamista, jossain vaiheessa purkaus heikkenee, ja jos paine saadaan tarpeeksi alhaiseksi, luultavasti alle noin 1 millitorr, se sammuu. Tässä demonstraatiossa saat paineen tarpeeksi matalaksi, jotta tummuu suunnilleen putken keskimmäinen kolmannes. Jos paine saataisiin tarpeeksi alhaiseksi, tarvittaisiin taas useita satoja kilovoltteja läpilyönnin aikaansaamiseksi, ja tällöin elektrodien välissä havaittaisiin vain vähän tai ei lainkaan hehkua, mutta lasi säteilee vihertävää fluoresenssia. Tämä fluoresenssi johtuu katodilla syntyvien nopeiden elektronien törmäyksistä eli katodisäteistä. Putkessa, jossa on rei’itetyt elektrodit (tässä esityksessä käytetyt ovat kiinteitä), näissä olosuhteissa voit nähdä pisteitä kunkin elektrodin takana. Anodin takana nämä ovat peräisin katodisäteistä. Katodin takana ne ovat peräisin anodilta putken läpi kulkeneiden ionien eli anodisäteiden törmäyksistä lasin kanssa.
Kuten edellä todettiin, purkauksen muodostava plasma (tai ainakin ne osat, joissa hehku on voimakkainta) on sähköisesti neutraali sekoitus elektroneja, ioneja ja kiihdytettyjä neutraaleja molekyylejä (tai yksiatomisessa kaasussa atomeja). Elektronit virtaavat katodilta anodille, ja ionit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. Kun pidät kuvassa näkyvää magneettia lähellä putken sivua, syntyy qv × B, ja elektroneihin ja ioneihin kohdistuu sivuttaissuuntainen voima. Koska molemmat hiukkastyypit kulkevat vastakkaisiin suuntiin, mutta ovat myös vastakkaisenmerkkisiä, ne poikkeutuvat yhdessä. Kun siis viet magneetin lähelle putkea, plasma taipuu sen alueen ympärille, jossa pidät magneetin napaa, ja voit siirtää taipumaa, kun muutat magneetin suuntaa.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (Lontoo: Methuen & Co., Ltd., 1966) s. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Kaasumaiset johtimet: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) s. 162-9, 205-7, 212-14.