6ボルトで動作する誘導コイルが放電管の両端にパルス状の高電圧を供給し、その両端には管の内径とほぼ同じ直径の円板が設置されています。 電極間の距離は約71.5cmで、管の内径は約4.5cmです。
真空管の中央のサイドアームに真空ポンプを接続すれば真空にできます。大気圧の状態で誘導コイルをオンにすると、出力電圧が十分に高くないため、絶縁破壊が起こります。 ポンプを回して真空にし、数十torrになると、電極の間に細い強烈なリボンが見えます。 これが、より幅の広い1本のリボンに合体していく。 そして、電極の間全体が光ります。 やがて、中央部に筋が現れます。 数分間放置すると、チューブの中央1/3ほどが端に比べ暗くなります。 管内に充満している光る気体はプラズマで、写真のような磁石でいろいろと偏向させることができる。
このデモは、グロー放電と呼ばれる気体を介した放電の一種を示したものです。 56.32–ウィムシャースト機、56.45–ヴァン・デ・グラーフ発電機による火花、56.54–避雷針、60.06–ヤコブの梯子は、空気の電気分解とそれに伴うアークという類似の現象であり、この実験では、気体を通しての放電が見られます。 (56.54ではコロナ放電、60.21ではコンデンサの火花、72.54ではインダクタの火花もアークを発生させる。）
グロー放電は、ガスの電気的破壊によってプラズマが形成されるもので、アークとは異なり、特定の場所に明るい部分と暗い部分がある構造になっています。 通常、気体は絶縁体である。 宇宙線などの自然背景放射のため、気体の体積の中にはランダムに発生する電子が数個含まれている。 気体中の2つの電極に高電圧をかけると、これらの電子は電極間の電界で加速される。 電子の平均自由行程が十分長く、その距離で気体分子をイオン化するのに十分なエネルギーを獲得すると、さらに電子が放出され、その電子がさらに気体分子をイオン化する。 こうしてできたイオンは、負極（カソード）に衝突して電子を放出することもある。 このように電子、イオン、中性ガス分子がさまざまに衝突することによって絶縁破壊が起こり、放電管の陰極と陽極の間で電流が維持される。 こうして形成されたプラズマは、電子、正イオン、電子励起された中性ガス分子の電気的な中性混合物である。
以上のことからわかるように、ガス圧、電極間距離、絶縁破壊が起こる最低電圧には関係がある。 絶縁破壊電圧Vsは、圧力pと電極間距離dの関数である。 この関数の正確な形は、特定のガスによって多少異なるが、その主な特徴は変わらない。 この関数は、1torr-cmのオーダーのpdで、約1から数百ボルトの範囲に最小値を持つ。 この極小値の両側でVsは上昇する。 この曲線は、ある圧力で、最小値以上の電圧を印加した場合、絶縁破壊が起こる電極距離の範囲があるが、電極を離しすぎたり近づけすぎたりすると、電圧不足で絶縁破壊が起こるという、おそらく驚くべき挙動を反映している。 これは、電極が近すぎると電子の平均自由行程がギャップに対して長くなりすぎて、十分な衝突が起きず絶縁破壊が起きないためである。 一方、電極が離れすぎていると、ギャップが電子の平均自由行程よりも長くなりすぎて、電子が衝突しすぎて陽極に到達しない。 Vs、p、dの関係を示す法則をパッシェンの法則、曲線をパッシェン曲線と呼ぶが、これはパッシェンがさまざまな気体中の放電を観察して導き出したものである。
あるガス組成に対する放電の性質は、圧力、電極にかかる電圧、プラズマを流れる電流に依存する。 このデモでは、電流は制御せず、チューブのサイドアームからポンピングして圧力を変化させる。 (クランプやバルブを追加して、圧力を特定の値に保持することも可能です）。 このサイズの管で大気圧の場合、絶縁破壊を起こすにはおそらく1,400〜2,000キロボルト（約140〜200万ボルト）程度必要で、その結果生じるアークは、ヴァン・デ・グラーフ発電機に見られるようなものになるだろう。
チューブから空気を送り出すと、ある時点、おそらく数十torrで、チューブの長さに沿って、リボンのような幅広い放電が見られます。 (圧力が数torrになると、放電は様々な明暗の領域を形成します。 典型的なグロー放電は、陰極から順に、陰極の近くに薄く光る領域があり、アストン暗黒空間と呼ばれる薄い暗黒層で隔てられています。 この薄く光る領域をカソードグローと呼びます。 カソードグローの反対側には、カソード暗黒空間、あるいはクルックス暗黒空間、ヒトルフ暗黒空間と呼ばれる広い暗黒空間がある。 次に、ネガグローと呼ばれる光る領域があり、さらにファラデー暗黒空間と呼ばれる暗黒空間が続く。 ファラデー暗黒空間の後は、正極柱と呼ばれる長い光り輝く領域があり、電極間の距離のほとんどを埋めています。 正極の端が他の部分より明るいことがありますが、これを負極グローと呼びます。 この正極の端は、負極暗室と呼ばれる暗い領域で負極から隔てられている。 通常、圧力と電圧が一定であれば、グロー放電のさまざまな領域の寸法はかなり明確に定義され、正極の列は電極間の距離によって変化する。
ポンプを回し続けると、ある時点で放電が弱まり、圧力を十分に下げると、おそらく1ミリリットル以下になると放電が消えます。 このデモでは、チューブのほぼ中央1/3が黒くなる程度に圧力を下げることができます。 この場合、電極間の光はほとんど見られないが、ガラスは緑色の蛍光を発する。 この蛍光は、陰極で発生する高速電子の衝突、すなわち陰極線によるものである。 電極に穴の開いた管（今回のデモのものは固体）では、この条件下で、各電極の後ろに点が見えるようになります。 陽極の後ろは、陰極線によるものです。
前述のように、放電を構成するプラズマ（あるいは少なくとも光りが最も強い部分）は、電子、イオン、励起された中性分子（あるいは単原子ガスでは原子）の電気的に中性な混合物であります。 電子は陰極から陽極へ、イオンはその反対方向へ移動します。 そこで、写真の磁石を管の側面に近づけると、qv×Bが生じ、電子とイオンは横向きの力を受ける。 両者は進行方向が逆で、かつ符号も逆なので、一緒に偏向されるのです。 そこで、磁石を管に近づけると、磁石の極を持ったあたりでプラズマが曲がり、磁石の向きを変えると曲がりが移動します
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. 気体伝導体: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) pp.162-9, 205-7, 212-14.
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