Una bobina di induzione, il cui primario funziona a sei volt, fornisce un’alta tensione pulsante attraverso le estremità di un tubo di scarica, ad ogni estremità del quale si trova una piastra circolare con un diametro approssimativamente uguale al diametro interno del tubo. La distanza tra gli elettrodi è di circa 71,5 cm, e l’interno del tubo è di circa 4,5 cm. È possibile evacuare il tubo collegando una pompa a vuoto al braccio laterale al centro del tubo.
Con il tubo a pressione atmosferica, quando si accende la bobina di induzione, la sua tensione di uscita non è abbastanza alta per raggiungere la rottura. Quando si accende la pompa e si inizia ad evacuare il tubo, quando la pressione arriva a diverse decine di torr, si vedono nastri sottili e intensi che attraversano lo spazio tra gli elettrodi. Questi poi si fondono in un unico nastro più ampio. Poi, l’intero spazio tra gli elettrodi si illumina. Alla fine, appaiono delle striature nella sezione centrale. Se si pompa per diversi minuti, il terzo centrale, o giù di lì, del tubo si scurisce rispetto alle estremità. Il gas incandescente che riempie il tubo è un plasma, che si può deviare in vari modi con il magnete mostrato nella fotografia.
Questa dimostrazione mostra un tipo di scarica elettrica attraverso un gas, chiamata scarica a bagliore. Le dimostrazioni 56.32 — Macchine di Wimshurst, 56.45 — Scintille con il generatore di Van de Graaff, 56.54 — Parafulmine e 60.06 — Scala di Giacobbe coinvolgono tutte un fenomeno simile, la rottura elettrica dell’aria, con conseguenti archi. (La dimostrazione 56.54 coinvolge anche la scarica a corona, e 60.21 — Scintilla del condensatore e 72.54 — Scintilla dell’induttore producono archi impressionanti, pure). Al contrario di un arco, una scarica a bagliore ha una struttura; ha aree luminose e scure in punti specifici, come il testo seguente descrive.
La scarica a bagliore è la formazione di un plasma dalla rottura elettrica di un gas. Normalmente, i gas sono isolanti. A causa dei raggi cosmici o di altre radiazioni naturali di fondo, un volume di gas contiene alcuni elettroni generati in modo casuale. Quando si mette una tensione elevata attraverso due elettrodi nel gas, questi elettroni sono accelerati nel campo elettrico tra gli elettrodi. Se il percorso libero medio degli elettroni è abbastanza lungo da acquisire abbastanza energia per ionizzare una molecola di gas, questo rilascia più elettroni, che poi ionizzano altre molecole di gas. Gli ioni così formati possono anche espellere elettroni quando si scontrano con l’elettrodo negativo (il catodo). Le varie collisioni tra gli elettroni, gli ioni e le molecole di gas neutro provocano la rottura, e una corrente è sostenuta tra il catodo e l’anodo del tubo di scarica. Il plasma così formato è una miscela elettricamente neutra di elettroni, ioni positivi e molecole di gas neutro eccitate elettronicamente. È l’emissione di molecole eccitate che si rilassano a stati di energia inferiore che vediamo come bagliore.
Come indicato sopra, c’è una relazione tra la pressione del gas, la distanza tra gli elettrodi e la tensione minima alla quale avviene la rottura. La tensione di rottura, Vs, (per “tensione di scintilla”) è una funzione di p, la pressione, e d, la distanza tra gli elettrodi. La forma esatta di questa funzione varia un po’ a seconda del particolare gas, ma le sue caratteristiche principali rimangono le stesse. Ha un minimo che va da circa uno a qualche centinaio di volt, ad una pd dell’ordine di un torr-cm. Ai due lati di questo minimo, Vs aumenta. Questa curva riflette il comportamento forse sorprendente che, per una data pressione, e per una certa tensione applicata al di sopra del minimo, c’è una gamma di distanze tra gli elettrodi su cui si verifica la rottura, ma se si spostano gli elettrodi o troppo lontani o troppo vicini tra loro, la tensione è insufficiente a causare la rottura. Essenzialmente, questo perché quando gli elettrodi sono troppo vicini, il percorso libero medio degli elettroni è troppo lungo rispetto alla distanza, e non si verificano abbastanza collisioni per causare la rottura. Quando gli elettrodi sono troppo distanti, invece, la distanza è troppo lunga rispetto al percorso libero medio dell’elettrone, e gli elettroni subiscono così tante collisioni che non arrivano mai all’anodo. La legge che stabilisce la relazione tra Vs, p e d è chiamata legge di Paschen, e la curva è chiamata curva di Paschen, da Friedrich Paschen, che la sviluppò dalle osservazioni che fece delle scariche in vari gas.
La natura della scarica, per una data composizione di gas, dipende dalla pressione, dalla tensione attraverso gli elettrodi e dalla corrente attraverso il plasma. In questa dimostrazione, la corrente non è controllata, e si varia la pressione pompando attraverso il braccio laterale del tubo. (Si potrebbe aggiungere un morsetto o una valvola per rendere possibile mantenere la pressione ad un valore particolare). Per un tubo di queste dimensioni, a pressione atmosferica, ci vorrebbero probabilmente da 1.400 a 2.000 kilovolt (o tra circa 1,4 e 2 milioni di volt) per ottenere la rottura, e l’arco risultante sarebbe simile a quelli che si vedono con un generatore di Van de Graaff. Poiché la bobina di induzione produce un potenziale di diversi kilovolt, o forse diverse decine di kilovolt, non possiamo osservare questo tipo di rottura in questa dimostrazione.
Quando si inizia a pompare l’aria fuori dal tubo, ad un certo punto, probabilmente diverse decine di torr, si vede un’ampia scarica a nastro lungo la lunghezza del tubo. (Quando la pressione arriva a qualche torr, la scarica forma varie regioni chiare e scure. Partendo dal catodo, una tipica scarica a bagliore mostra una sottile regione incandescente vicino al catodo, separata da esso da un sottile strato scuro chiamato spazio scuro Aston. La sottile regione incandescente è chiamata bagliore catodico. Dall’altro lato del bagliore del catodo c’è uno spazio scuro più ampio, chiamato spazio scuro del catodo, o spazio scuro di Crookes o Hittorf. Poi c’è una regione incandescente chiamata bagliore negativo, seguita da un altro spazio scuro chiamato spazio scuro di Faraday. Dopo lo spazio scuro di Faraday c’è una lunga regione incandescente chiamata colonna positiva, che riempie la maggior parte della distanza tra gli elettrodi. A volte, l’estremità anodica della colonna positiva è più luminosa del resto; questo è chiamato bagliore anodico. Questa estremità della colonna positiva è separata dall’anodo da una regione scura chiamata spazio scuro anodico. Di solito, per una data pressione e tensione applicata, le dimensioni delle varie regioni della scarica a bagliore sono abbastanza ben definite, con la colonna positiva che varia a seconda della distanza tra gli elettrodi. In questa dimostrazione, molte delle caratteristiche elencate sopra potrebbero non essere facilmente visibili, e vedrete delle striature nella colonna positiva.
Se continuate a pompare, ad un certo punto la scarica si indebolisce, e, se ottenete la pressione abbastanza bassa, probabilmente sotto circa 1 millitorr, si spegne. In questa dimostrazione, si può ottenere una pressione abbastanza bassa da scurire all’incirca il terzo centrale del tubo. Se si potesse ottenere una pressione abbastanza bassa, ci vorrebbero ancora diverse centinaia di kilovolt per causare la rottura, e in questo caso, si osserverebbe poco o nessun bagliore tra gli elettrodi, ma il vetro emetterebbe una fluorescenza verdastra. Questa fluorescenza è dovuta a collisioni di elettroni ad alta velocità generati al catodo, o raggi catodici. In un tubo con elettrodi perforati (quelli di questa dimostrazione sono solidi), in queste condizioni si possono vedere dei punti dietro ogni elettrodo. Dietro l’anodo, questi vengono dai raggi catodici. Dietro il catodo, sono dovuti alle collisioni con il vetro degli ioni che hanno attraversato il tubo dall’anodo, o raggi anodici.
Come notato sopra, il plasma che costituisce la scarica (o almeno le parti dove il bagliore è più forte) è una miscela elettricamente neutra di elettroni, ioni e molecole neutre eccitate (o, in un gas monoatomico, atomi). Gli elettroni fluiscono dal catodo all’anodo, e gli ioni si muovono nella direzione opposta. Quando si tiene il magnete mostrato nella fotografia vicino al lato del tubo, quindi, questo dà luogo a una qv × B, e gli elettroni e gli ioni subiscono una forza laterale. Poiché entrambi i tipi di particelle viaggiano in direzioni opposte, ma hanno anche segno opposto, vengono deviati insieme. Così, quando si porta il magnete vicino al tubo, il plasma si piega intorno alla zona in cui si tiene il polo del magnete, e si può spostare la curva intorno come si cambia l’orientamento del magnete.
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. Conduttori gassosi: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) pp. 162-9, 205-7, 212-14.