Uma bobina de indução, cuja primária funciona a seis volts, fornece alta tensão pulsante através das extremidades de um tubo de descarga, em cada extremidade da qual há uma placa circular com um diâmetro aproximadamente igual ao diâmetro i.d. do tubo. A distância entre os eléctrodos é de cerca de 71,5 cm, e o i.d. do tubo é de cerca de 4,5 cm. Você pode evacuar o tubo conectando uma bomba de vácuo ao braço lateral no centro do tubo.
Com o tubo à pressão atmosférica, quando você liga a bobina de indução, sua voltagem de saída não é alta o suficiente para atingir a ruptura. Quando você liga a bomba e começa a evacuar o tubo, quando a pressão chega a várias dezenas de torr, você vê fitas finas e intensas atravessando o espaço entre os eletrodos. Estas então coalescem em uma fita mais larga e única. Depois, todo o espaço entre os eléctrodos se ilumina. Eventualmente, as estrias aparecem na secção do meio. Se você bombear por vários minutos, o terço médio, ou seja, do tubo escurece em relação às extremidades. O gás brilhante que enche o tubo é um plasma, que você pode defletir de várias maneiras com o ímã mostrado na fotografia.
Esta demonstração mostra um tipo de descarga elétrica através de um gás, chamado de descarga incandescente. Demonstrações 56.32 — Máquinas Wimshurst, 56.45 — Faíscas com o gerador Van de Graaff, 56.54 — Para-raios e 60.06 — A escada de Jacob envolve um fenômeno similar, a quebra elétrica do ar, com os arcos resultantes. (Demonstração 56.54 também envolve a descarga corona, e 60.21 — Centelha do condensador e 72.54 — Centelha do indutor também produzem arcos impressionantes). Ao contrário de um arco, uma descarga incandescente tem uma estrutura; tem áreas claras e escuras em lugares específicos, como o texto abaixo descreve.
A descarga incandescente é a formação de um plasma pela quebra elétrica de um gás. Normalmente, os gases são isolantes. Devido aos raios cósmicos ou outra radiação de fundo natural, um volume de gás contém alguns elétrons gerados aleatoriamente. Quando você coloca uma alta tensão através de dois eletrodos no gás, esses elétrons são acelerados no campo elétrico entre os eletrodos. Se o caminho livre médio dos elétrons for suficientemente longo para que, ao longo dessa distância, eles adquiram energia suficiente para ionizar uma molécula de gás, isso libera mais elétrons, que então ionizam mais moléculas de gás. Os íons assim formados também podem ejetar elétrons quando colidem com o elétrodo negativo (o cátodo). As várias colisões entre elétrons, íons e moléculas de gás neutro resultam em decomposição, e uma corrente é mantida entre o cátodo e o ânodo do tubo de descarga. O plasma assim formado é uma mistura eletricamente neutra de elétrons, íons positivos e moléculas de gás neutro excitado eletronicamente. É a emissão de moléculas excitadas relaxando para estados de menor energia que vemos como o brilho.
Como o acima indicado indicaria, existe uma relação entre a pressão do gás, a distância entre os eléctrodos e a voltagem mínima em que ocorre a ruptura. A tensão de ruptura, Vs, (para “tensão de faísca”) é uma função de p, a pressão, e d, a distância entre os eléctrodos. A forma exata desta função varia um pouco de acordo com o gás em particular, mas suas características principais permanecem as mesmas. Tem um mínimo que varia de cerca de um a algumas centenas de volts, a um pd na ordem de um torr-cm. Para ambos os lados deste mínimo, o Vs sobe. Esta curva reflete o comportamento talvez surpreendente que, para uma determinada pressão, e para alguma tensão aplicada acima do mínimo, há uma faixa de distâncias dos eletrodos sobre a qual ocorre a ruptura, mas se os eletrodos se movem muito afastados ou muito próximos uns dos outros, a tensão é insuficiente para causar a ruptura. Essencialmente, isto acontece porque quando os eléctrodos estão demasiado próximos uns dos outros, o caminho livre dos eléctrodos é demasiado longo em relação à fenda e não ocorrem colisões suficientes para causar avarias. No entanto, quando os eléctrodos estão demasiado afastados, o intervalo é demasiado maior do que o caminho livre médio dos electrões e os electrões sofrem tantas colisões que nunca chegam ao ânodo. A lei que estabelece a relação entre os Vs, p e d é chamada de lei de Paschen, e a curva é chamada de curva de Paschen, depois de Friedrich Paschen, que as desenvolveu a partir de observações que ele fez de descargas em vários gases.
A natureza da descarga, para uma dada composição de gás, depende da pressão, da tensão através dos eléctrodos e da corrente através do plasma. Nesta demonstração, a corrente não é controlada, e você varia a pressão bombeando através do braço lateral do tubo. (Uma braçadeira ou válvula pode ser adicionada para tornar possível manter a pressão a um determinado valor). Para um tubo deste tamanho, à pressão atmosférica, seria provavelmente necessário cerca de 1.400 a 2.000 quilovolts (ou entre cerca de 1,4 e 2 milhões de volts) para conseguir a ruptura, e o arco resultante seria semelhante aos que se vêem com um gerador Van de Graaff. Como a bobina de indução produz um potencial de vários kilovolts, ou talvez várias dezenas de kilovolts, não podemos observar este tipo de ruptura nesta demonstração.
Quando você começa a bombear o ar para fora do tubo, em algum momento, provavelmente várias dezenas de torr, você vê uma descarga larga, em forma de fita, ao longo do comprimento do tubo. (Isto começa como várias serpentinas finas quando ocorre a ruptura). Quando a pressão chega a algumas torr, a descarga forma várias regiões claras e escuras. A partir do cátodo, uma típica descarga brilhante exibe uma região fina e brilhante perto do cátodo, separada dele por uma fina camada escura chamada espaço escuro Aston. A região de brilho fino é chamada de catodo brilhante. Do outro lado do brilho catódico está um espaço escuro mais amplo, chamado de espaço escuro catódico, ou espaço escuro Crookes ou Hittorf. Em seguida há uma região brilhante chamada brilho negativo, seguida por outro espaço escuro chamado espaço escuro de Faraday. Depois do espaço escuro de Faraday é uma região longa e brilhante chamada coluna positiva, que preenche a maior parte da distância entre os eletrodos. Algumas vezes, a extremidade do ânodo da coluna positiva é mais brilhante que o resto; isto é chamado de brilho do ânodo. Esta extremidade da coluna positiva é separada do ânodo por uma região escura chamada de espaço escuro do ânodo. Normalmente, para uma dada pressão e voltagem aplicada, as dimensões das várias regiões da descarga do brilho são bastante bem definidas, com a coluna positiva variando de acordo com a distância entre os eletrodos. Nesta demonstração, muitas das características listadas acima podem não ser facilmente visíveis, e você verá estrias na coluna positiva.
Se você continuar bombeando, em algum ponto a descarga enfraquece, e, se você conseguir a pressão suficientemente baixa, provavelmente abaixo de cerca de 1 militorr, ela se apaga. Nesta demonstração, você pode obter a pressão suficientemente baixa para escurecer aproximadamente o terço médio do tubo. Se você pudesse obter uma pressão suficientemente baixa, você precisaria novamente de várias centenas de quilovolts para causar a quebra, e neste caso, você observaria pouco ou nenhum brilho entre os eletrodos, mas o vidro emitiria uma fluorescência esverdeada. Esta fluorescência é devida a colisões de elétrons de alta velocidade gerados no cátodo, ou raios catódicos. Em um tubo com eletrodos perfurados (os que estão nesta demonstração são sólidos), sob estas condições você pode ver pontos atrás de cada eletrodo. Atrás do ânodo, estes são de raios catódicos. Atrás do cátodo, eles são de colisões com o vidro de íons que cruzaram o tubo do ânodo, ou raios anódicos.
Como observado acima, o plasma que compõe a descarga (ou pelo menos as partes onde o brilho é mais forte) é uma mistura eletricamente neutra de elétrons, íons e moléculas neutras excitadas (ou, em um gás monatômico, átomos). Os elétrons fluem do cátodo para o ânodo, e os íons se movem na direção oposta. Quando você segura o ímã mostrado na fotografia perto do lado do tubo, então, isso dá origem a um qv × B, e elétrons e íons sofrem uma força lateral. Como ambos os tipos de partículas estão a viajar em direcções opostas, mas também têm sinal oposto, elas são desviadas em conjunto. Então quando você traz o ímã perto do tubo, o plasma se dobra ao redor da área onde você segura o pólo do ímã, e você pode mover a curva ao mudar a orientação do ímã.
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.