Een inductiespoel, waarvan de primaire bij zes volt werkt, levert pulserende hoogspanning over de uiteinden van een ontladingsbuis, aan elk uiteinde waarvan zich een cirkelvormige plaat bevindt met een diameter die ongeveer gelijk is aan de i.d. van de buis. De afstand tussen de elektroden is ongeveer 71,5 cm, en de buis i.d. is ongeveer 4,5 cm. U kunt de buis leegzuigen door een vacuümpomp aan te sluiten op de zijarm in het midden van de buis.
Met de buis op atmosferische druk, wanneer u de inductiespoel inschakelt, is de uitgangsspanning niet hoog genoeg om doorslag te bereiken. Wanneer u de pomp aanzet en de buis begint te evacueren, wanneer de druk enkele tientallen torr bereikt, ziet u dunne, intense linten die de ruimte tussen de elektroden overspannen. Deze smelten dan samen tot een breder, enkel lint. Dan licht de hele ruimte tussen de elektroden op. Uiteindelijk verschijnen er strepen in het middengedeelte. Als je enkele minuten pompt, wordt het middelste derde deel van de buis donkerder dan de uiteinden. Het gloeiende gas dat de buis vult is een plasma, dat je op verschillende manieren kunt afbuigen met de magneet op de foto.
Deze demonstratie toont een type van elektrische ontlading door een gas, gloeiontlading genoemd. Demonstraties 56.32 — Wimshurst machines, 56.45 — Vonken met de Van de Graaff generator, 56.54 — Bliksemafleider en 60.06 — Jakobsladder hebben alle betrekking op een soortgelijk verschijnsel, de elektrische afbraak van lucht, met als gevolg vlambogen. (Demonstratie 56.54 gaat ook over corona-ontlading, en 60.21 – Condensatorvonk en 72.54 – Inductorvonk leveren ook indrukwekkende bogen op). In tegenstelling tot een boog, heeft een gloeiontlading een structuur; het heeft heldere en donkere gebieden op specifieke plaatsen, zoals de tekst hieronder beschrijft.
Gloeiontlading is de vorming van een plasma door de elektrische afbraak van een gas. Normaal gesproken zijn gassen isolatoren. Door kosmische straling of andere natuurlijke achtergrondstraling bevat een gasvolume een paar willekeurig ontstane elektronen. Wanneer men een hoog voltage over twee elektroden in het gas plaatst, worden deze elektronen versneld in het elektrische veld tussen de elektroden. Als het gemiddelde vrije pad van de elektronen lang genoeg is dat zij over die afstand voldoende energie verwerven om een gasmolecule te ioniseren, komen daardoor meer elektronen vrij, die vervolgens meer gasmoleculen ioniseren. De aldus gevormde ionen kunnen ook elektronen uitwerpen wanneer zij in botsing komen met de negatieve elektrode (de kathode). De verschillende botsingen tussen elektronen, ionen en neutrale gasmoleculen resulteren in afbraak, en er wordt een stroom onderhouden tussen de kathode en de anode van de ontladingsbuis. Het aldus gevormde plasma is een elektrisch neutraal mengsel van elektronen, positieve ionen en elektronisch geëxciteerde neutrale gasmoleculen. Het is de emissie van geëxciteerde molecules die zich ontspannen tot lagere energietoestanden die wij als de gloed zien.
Zoals het bovenstaande zou aangeven, is er een verband tussen de gasdruk, de afstand tussen de elektroden, en het minimumvoltage waarbij afbraak optreedt. Het doorslagvoltage, Vs, (voor “vonkspanning”) is een functie van p, de druk, en d, de afstand tussen de elektroden. De precieze vorm van deze functie varieert enigszins naar gelang van het specifieke gas, maar de hoofdkenmerken blijven dezelfde. Zij heeft een minimum dat varieert van ongeveer één tot enkele honderden volts, bij een pd in de orde van grootte van één torr-cm. Aan weerszijden van dit minimum stijgt Vs. Deze kromme wijst op het misschien verrassende gedrag dat, voor een bepaalde druk, en voor één of ander toegepast voltage boven het minimum, er een waaier van elektrodenafstanden is waarbinnen de analyse voorkomt, maar als één de elektroden of te ver uit elkaar of te dicht bij elkaar beweegt, het voltage ontoereikend is om analyse te veroorzaken. De belangrijkste reden hiervoor is dat wanneer de elektroden te dicht bij elkaar staan, de gemiddelde vrije weg van de elektronen te lang is ten opzichte van de spleet, en er niet genoeg botsingen plaatsvinden om doorslag te veroorzaken. Wanneer de elektroden echter te ver uit elkaar staan, is de spleet te veel langer dan de gemiddelde vrije weg van de elektronen, en komen de elektronen zo vaak met elkaar in botsing dat zij nooit bij de anode aankomen. De wet die de relatie tussen Vs, p en d vastlegt, wordt de wet van Paschen genoemd, en de kromme wordt een Paschen-kromme genoemd, naar Friedrich Paschen, die deze ontwikkelde op grond van waarnemingen die hij deed aan ontladingen in verschillende gassen.
De aard van de ontlading, voor een gegeven gassamenstelling, hangt af van de druk, de spanning over de elektroden en de stroom door het plasma. In deze demonstratie, wordt de stroom niet gecontroleerd, en u varieert de druk door door het zijwapen van de buis te pompen. (Een klem of een klep zou kunnen worden toegevoegd om het mogelijk te maken de druk bij een bepaalde waarde te houden). Voor een buis deze grootte, bij atmosferische druk, zou het waarschijnlijk ongeveer 1.400 tot 2.000 kilovolts (of tussen ongeveer 1.4 en 2 miljoen volts) vereisen om analyse te bereiken, en de resulterende boog zou aan die gelijkaardig zijn één met een Van de Graaffgenerator ziet. Aangezien de inductierol een potentieel van verscheidene kilovolts veroorzaakt, of misschien verscheidene tientallen kilovolts, wij kunnen dit type van analyse in deze demonstration.
Als u begint de lucht uit de buis te pompen, op één of ander punt, waarschijnlijk verscheidene tientallen torr, ziet u een brede, lint-als lossing langs de lengte van de buis. (Wanneer de druk een paar torr bereikt, vormt de ontlading verschillende lichte en donkere gebieden. Beginnend bij de kathode, vertoont een typische gloeiontlading een dun, gloeiend gebied bij de kathode, daarvan gescheiden door een dunne donkere laag die de Aston donkere ruimte wordt genoemd. Het dunne gloeiende gebied wordt de kathodegloed genoemd. Aan de andere kant van de kathodegloed is een bredere donkere ruimte, die de kathode donkere ruimte, of Crookes of Hittorf donkere ruimte wordt genoemd. Vervolgens is er een gloeiend gebied dat de negatieve gloed wordt genoemd, gevolgd door een andere donkere ruimte die de donkere ruimte van Faraday wordt genoemd. Na de donkere ruimte van Faraday komt een lang gloeiend gebied dat de positieve kolom wordt genoemd, die het grootste deel van de afstand tussen de elektroden vult. Soms is het anode-uiteinde van de positieve kolom helderder dan de rest; dit wordt de anodegloed genoemd. Dit uiteinde van de positieve kolom is van de anode gescheiden door een donker gebied dat de anode donkere ruimte wordt genoemd. Gewoonlijk, voor een bepaalde druk en een toegepast voltage, zijn de afmetingen van de diverse gebieden van de gloedlossing vrij goed bepaald, met de positieve kolom die volgens de afstand tussen de elektroden variëert. In deze demonstratie, kunnen veel van de hierboven vermelde eigenschappen niet gemakkelijk zichtbaar zijn, en u zult strepen in de positieve kolom zien.
Als u blijft pompen, op een bepaald punt verzwakt de lossing, en, als u de druk laag genoeg krijgt, waarschijnlijk onder ongeveer 1 millitorr, gaat het uit. In deze demonstratie kun je de druk laag genoeg krijgen om ruwweg het middelste derde van de buis te verduisteren. Als u de druk laag genoeg kon krijgen, u zou opnieuw verscheidene honderd kilovolts vergen om analyse te veroorzaken, en in dit geval, u zou weinig of geen gloed tussen de elektroden waarnemen, maar het glas zou een groenachtige fluorescentie uitzenden. Deze fluorescentie is het gevolg van botsingen van zeer snelle elektronen die aan de kathode worden opgewekt, of kathodestralen. In een buis met geperforeerde elektroden (die in deze demonstratie zijn massief) kan men onder deze omstandigheden achter elke elektrode puntjes zien. Achter de anode zijn deze van kathodestralen. Achter de kathode zijn ze afkomstig van botsingen met het glas van ionen die vanaf de anode de buis zijn overgestoken, of anodestralen.
Zoals hierboven opgemerkt, is het plasma waaruit de ontlading bestaat (of althans de delen waar de gloed het sterkst is) een elektrisch neutraal mengsel van elektronen, ionen en aangeslagen neutrale moleculen (of, in een monoatomisch gas, atomen). De elektronen stromen van de kathode naar de anode, en de ionen bewegen in tegengestelde richting. Wanneer men de op de foto afgebeelde magneet bij de zijkant van de buis houdt, ontstaat er dus een qv × B, en ondervinden elektronen en ionen een zijwaartse kracht. Omdat beide soorten deeltjes in tegengestelde richting bewegen, maar ook een tegengesteld teken hebben, worden ze samen afgebogen. Dus als je de magneet in de buurt van de buis brengt, buigt het plasma om het gebied waar je de pool van de magneet vasthoudt, en je kunt de buiging verplaatsen als je de oriëntatie van de magneet verandert.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (Londen: Methuen & Co., Ltd., 1966) pp. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Gaseous Conductors: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) pp. 162-9, 205-7, 212-14.