Cewka indukcyjna, której uzwojenie pierwotne pracuje przy napięciu sześciu woltów, dostarcza pulsujące wysokie napięcie przez końce rury wyładowczej, na każdym końcu której znajduje się okrągła płytka o średnicy w przybliżeniu równej średnicy i.d. rury. Odległość między elektrodami wynosi około 71,5 cm, a średnica rury około 4,5 cm. Możesz opróżnić tubę podłączając pompę próżniową do bocznego ramienia w środku tuby.
Przy ciśnieniu atmosferycznym, kiedy włączysz cewkę indukcyjną, jej napięcie wyjściowe nie jest wystarczająco wysokie, aby osiągnąć przebicie. Po włączeniu pompy i rozpoczęciu ewakuacji tuby, gdy ciśnienie osiągnie kilkadziesiąt torr, można zaobserwować cienkie, intensywne wstęgi rozciągające się w przestrzeni pomiędzy elektrodami. Następnie łączą się one w szersze, pojedyncze wstęgi. Następnie, cała przestrzeń pomiędzy elektrodami świeci się. W końcu w środkowej części pojawiają się prążki. Jeśli pompujesz przez kilka minut, środkowa jedna trzecia rury ciemnieje w stosunku do końców. Świecący gaz wypełniający rurkę to plazma, którą można odchylać na różne sposoby za pomocą magnesu pokazanego na zdjęciu.
Ta demonstracja pokazuje rodzaj wyładowania elektrycznego w gazie, zwanego wyładowaniem jarzeniowym. Demonstracje 56.32 — Maszyny Wimshursta, 56.45 — Iskry z generatorem Van de Graaffa, 56.54 — Błyskawica i 60.06 — Drabina Jakuba wszystkie dotyczą podobnego zjawiska, elektrycznego rozpadu powietrza, z powstającymi łukami. (Demonstracja 56.54 również obejmuje wyładowanie koronowe, a 60.21 — Iskra kondensatora i 72.54 — Iskra induktora również dają imponujące łuki). W przeciwieństwie do łuku, wyładowanie jarzeniowe ma strukturę; posiada jasne i ciemne obszary w określonych miejscach, jak to opisuje poniższy tekst.
Wyładowanie jarzeniowe jest formowaniem plazmy poprzez elektryczny rozkład gazu. Normalnie, gazy są izolatorami. Z powodu promieni kosmicznych lub innego naturalnego promieniowania tła, objętość gazu zawiera kilka przypadkowo wygenerowanych elektronów. Kiedy umieścimy wysokie napięcie na dwóch elektrodach w gazie, elektrony te są przyspieszane w polu elektrycznym pomiędzy elektrodami. Jeśli średnia droga swobodna elektronów jest na tyle długa, że na tej odległości uzyskują one energię wystarczającą do zjonizowania cząsteczki gazu, uwalnia to więcej elektronów, które następnie jonizują kolejne cząsteczki gazu. Powstałe w ten sposób jony mogą również wyrzucać elektrony, gdy zderzą się z elektrodą ujemną (katodą). W wyniku różnorodnych zderzeń elektronów, jonów i neutralnych cząsteczek gazu dochodzi do rozpadu, a pomiędzy katodą a anodą rury wyładowczej utrzymuje się prąd. Powstała w ten sposób plazma jest elektrycznie obojętną mieszaniną elektronów, jonów dodatnich i elektronowo wzbudzonych cząsteczek gazu obojętnego. Jest to emisja wzbudzonych cząsteczek rozluźniających się do niższych stanów energetycznych, które widzimy jako jarzenie.
Jak wynika z powyższego, istnieje związek pomiędzy ciśnieniem gazu, odległością pomiędzy elektrodami i minimalnym napięciem, przy którym następuje przebicie. Napięcie przebicia, Vs, (oznaczające „napięcie iskry”) jest funkcją p, ciśnienia, oraz d, odległości pomiędzy elektrodami. Dokładny kształt tej funkcji różni się nieco w zależności od konkretnego gazu, ale jej główne cechy pozostają takie same. Posiada ona minimum, które waha się od około jednego do kilkuset woltów, przy pd rzędu jednego torr-cm. Po obu stronach tego minimum, Vs wzrasta. Krzywa ta odzwierciedla być może zaskakujące zachowanie, że dla danego ciśnienia i dla pewnego przyłożonego napięcia powyżej minimum, istnieje zakres odległości elektrod, w którym następuje przebicie, ale jeśli przesuniemy elektrody albo zbyt daleko od siebie, albo zbyt blisko siebie, napięcie jest niewystarczające do spowodowania przebicia. Zasadniczo dzieje się tak dlatego, że gdy elektrody są zbyt blisko siebie, średnia droga swobodna elektronu jest zbyt długa w stosunku do szczeliny i nie dochodzi do wystarczającej ilości zderzeń, aby spowodować przebicie. Kiedy jednak elektrody są zbyt daleko od siebie, szczelina jest o wiele dłuższa niż średnia droga swobodna elektronu, a elektrony ulegają tak wielu zderzeniom, że nigdy nie docierają do anody. Prawo określające związek pomiędzy Vs, p i d nazywane jest prawem Paschena, a krzywa nazywana jest krzywą Paschena, od nazwiska Friedricha Paschena, który opracował je na podstawie obserwacji wyładowań w różnych gazach.
Charakter wyładowania, dla danego składu gazu, zależy od ciśnienia, napięcia na elektrodach i prądu przepływającego przez plazmę. W tej demonstracji, prąd nie jest kontrolowany, a ciśnienie zmienia się poprzez pompowanie przez boczne ramię rurki. (Można dodać zacisk lub zawór, aby umożliwić utrzymanie ciśnienia na określonej wartości). Dla rurki tej wielkości, przy ciśnieniu atmosferycznym, potrzeba by było prawdopodobnie około 1400 do 2000 kilowoltów (lub pomiędzy około 1,4 a 2 miliony woltów), aby uzyskać przebicie, a łuk elektryczny byłby podobny do tego, który można zobaczyć w generatorze Van de Graaffa. Ponieważ cewka indukcyjna wytwarza potencjał kilku kilowoltów, a może kilkudziesięciu kilowoltów, nie możemy zaobserwować tego typu załamania w tej demonstracji.
Jak zaczniesz wypompowywać powietrze z rurki, w pewnym momencie, prawdopodobnie kilkadziesiąt torr, zobaczysz szerokie, wstęgowe wyładowanie wzdłuż długości rurki. (Kiedy ciśnienie osiągnie kilka torr, wyładowanie tworzy różne jasne i ciemne regiony. Zaczynając od katody, typowe wyładowanie jarzeniowe wykazuje cienki, świecący obszar w pobliżu katody, oddzielony od niej cienką ciemną warstwą zwaną ciemną przestrzenią Astona. Ten cienki obszar żarzenia nazywany jest żarzeniem katodowym. Po drugiej stronie żarzenia katodowego znajduje się szersza ciemna przestrzeń, zwana ciemną przestrzenią katodową, lub ciemną przestrzenią Crookesa lub Hittorfa. Następnie znajduje się świecący obszar zwany jarzeniem ujemnym, po którym następuje kolejna ciemna przestrzeń zwana ciemną przestrzenią Faradaya. Po ciemnej przestrzeni Faradaya znajduje się długi świecący obszar zwany kolumną dodatnią, która wypełnia większą część odległości pomiędzy elektrodami. Czasami, anodowy koniec kolumny dodatniej jest jaśniejszy niż reszta; nazywa się to świeceniem anodowym. Ten koniec kolumny dodatniej jest oddzielony od anody ciemnym obszarem zwanym ciemną przestrzenią anodową. Zazwyczaj, dla danego ciśnienia i przyłożonego napięcia, wymiary różnych regionów wyładowania jarzeniowego są dość dobrze zdefiniowane, przy czym kolumna dodatnia zmienia się w zależności od odległości między elektrodami. W tej demonstracji, wiele z cech wymienionych powyżej może nie być łatwo widocznych, a zobaczysz prążki w kolumnie dodatniej.
Jeśli będziesz kontynuował pompowanie, w pewnym momencie wyładowanie osłabnie, a jeśli uzyskasz wystarczająco niskie ciśnienie, prawdopodobnie poniżej około 1 militorr, zgaśnie. W tej demonstracji, można uzyskać wystarczająco niskie ciśnienie, aby zaciemnić mniej więcej środkową trzecią część rury. Jeśli udałoby się uzyskać wystarczająco niskie ciśnienie, znów potrzeba by było kilkuset kilowoltów, aby spowodować awarię, i w tym przypadku zaobserwowalibyśmy niewielkie lub żadne świecenie pomiędzy elektrodami, ale szkło emitowałoby zielonkawą fluorescencję. Fluorescencja ta jest spowodowana zderzeniami szybkich elektronów generowanych na katodzie, czyli promieniami katodowymi. W probówce z perforowanymi elektrodami (te w tej demonstracji są pełne), w tych warunkach można zobaczyć kropki za każdą elektrodą. Za anodą są one od promieni katodowych. Za katodą, są one od zderzeń ze szkłem jonów, które przeszły przez rurkę od anody, czyli promieni anodowych.
Jak zauważono powyżej, plazma, która tworzy wyładowanie (lub przynajmniej części, gdzie jarzenie jest najsilniejsze) jest elektrycznie obojętną mieszaniną elektronów, jonów i wzbudzonych neutralnych cząsteczek (lub, w gazie jednoatomowym, atomów). Elektrony przepływają od katody do anody, a jony poruszają się w przeciwnym kierunku. Kiedy trzymamy magnes pokazany na zdjęciu w pobliżu boku rury, powstaje qv × B, a na elektrony i jony działa siła boczna. Ponieważ oba rodzaje cząstek poruszają się w przeciwnych kierunkach, ale także mają przeciwne znaki, są one odchylane razem. Kiedy więc zbliżamy magnes do rurki, plazma wygina się wokół obszaru, w którym trzymamy biegun magnesu, i możemy przesuwać to wygięcie dookoła, zmieniając orientację magnesu.
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. Gaseous Conductors: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) pp. 162-9, 205-7, 212-14.
.