O bobină de inducție, al cărei primar funcționează la șase volți, furnizează o înaltă tensiune pulsatorie la capetele unui tub de descărcare, la fiecare capăt al căruia se află o placă circulară cu un diametru aproximativ egal cu diametrul interior al tubului. Distanța dintre electrozi este de aproximativ 71,5 cm, iar diametrul interior al tubului este de aproximativ 4,5 cm. Puteți evacua tubul conectând o pompă de vid la brațul lateral din centrul tubului.
Cu tubul la presiune atmosferică, atunci când porniți bobina de inducție, tensiunea de ieșire a acesteia nu este suficient de mare pentru a obține clacarea. Când porniți pompa și începeți să evacuați tubul, când presiunea ajunge la câteva zeci de torr, vedeți panglici subțiri și intense care se întind pe spațiul dintre electrozi. Acestea se unesc apoi într-o singură panglică mai largă. Apoi, întregul spațiu dintre electrozi se aprinde. În cele din urmă, apar striații în secțiunea centrală. Dacă pompați timp de câteva minute, treimea de mijloc a tubului se întunecă în raport cu capetele. Gazul incandescent care umple tubul este o plasmă, pe care o puteți devia în diferite moduri cu ajutorul magnetului prezentat în fotografie.
Această demonstrație arată un tip de descărcare electrică printr-un gaz, numită descărcare luminoasă. Demonstrațiile 56.32 — Mașinile Wimshurst, 56.45 — Scântei cu generatorul Van de Graaff, 56.54 — Paratrăsnetul și 60.06 — Scara lui Iacob, toate implică un fenomen asemănător, descompunerea electrică a aerului, cu arcuri electrice rezultate. (Demonstrația 56.54 implică, de asemenea, descărcarea corona, iar 60.21 — Scânteia condensatorului și 72.54 — Scânteia inductorului produc, de asemenea, arcuri electrice impresionante). Spre deosebire de un arc electric, o descărcare luminoasă are o structură; are zone luminoase și întunecate în anumite locuri, așa cum descrie textul de mai jos.
Descărcarea luminoasă este formarea unei plasme prin descompunerea electrică a unui gaz. În mod normal, gazele sunt izolatoare. Din cauza razelor cosmice sau a altor radiații naturale de fond, un volum de gaz conține câțiva electroni generați la întâmplare. Atunci când se plasează o tensiune înaltă între doi electrozi din gaz, acești electroni sunt accelerați în câmpul electric dintre electrozi. Dacă traiectoria liberă medie a electronilor este suficient de lungă pentru ca, pe această distanță, să dobândească suficientă energie pentru a ioniza o moleculă de gaz, aceasta eliberează mai mulți electroni, care apoi ionizează mai multe molecule de gaz. Ionii astfel formați pot, de asemenea, să ejecteze electroni atunci când se ciocnesc cu electrodul negativ (catodul). Diferitele coliziuni dintre electroni, ioni și moleculele neutre de gaz duc la descompunere, iar între catodul și anodul tubului de descărcare se întreține un curent. Plasma astfel formată este un amestec neutru din punct de vedere electric de electroni, ioni pozitivi și molecule de gaz neutru excitat electronic. Emisia moleculelor excitate care se relaxează în stări energetice inferioare este cea pe care o observăm ca strălucire.
După cum indică cele de mai sus, există o relație între presiunea gazului, distanța dintre electrozi și tensiunea minimă la care are loc ruptura. Tensiunea de declanșare, Vs, (pentru „tensiune de scânteie”) este o funcție de p, presiunea, și d, distanța dintre electrozi. Forma exactă a acestei funcții variază oarecum în funcție de fiecare gaz în parte, dar caracteristicile sale principale rămân aceleași. Ea are un minim care variază de la aproximativ unu la câteva sute de volți, la o pd de ordinul unui torr-cm. De o parte și de alta a acestui minim, Vs crește. Această curbă reflectă comportamentul, poate surprinzător, conform căruia, pentru o presiune dată și pentru o anumită tensiune aplicată deasupra minimului, există un interval de distanțe între electrozi pe care se produce clacarea, dar dacă se deplasează electrozii fie prea departe, fie prea aproape unul de celălalt, tensiunea este insuficientă pentru a provoca clacarea. În esență, acest lucru se datorează faptului că, atunci când electrozii sunt prea apropiați, calea liberă medie a electronilor este prea lungă în raport cu distanța și nu se produc suficiente coliziuni pentru a provoca ruperea. Cu toate acestea, atunci când electrozii sunt prea depărtați, distanța este prea mare față de calea liberă medie a electronilor, iar electronii suferă atât de multe coliziuni încât nu ajung niciodată la anod. Legea care stabilește relația dintre Vs, p și d se numește legea lui Paschen, iar curba se numește curbă Paschen, după numele lui Friedrich Paschen, care a dezvoltat-o în urma observațiilor pe care le-a făcut asupra descărcărilor în diferite gaze.
Natura descărcării, pentru o anumită compoziție de gaze, depinde de presiune, de tensiunea la electrozi și de curentul prin plasmă. În această demonstrație, curentul nu este controlat, iar presiunea se variază prin pompare prin brațul lateral al tubului. (Ar putea fi adăugată o clemă sau o supapă pentru a face posibilă menținerea presiunii la o anumită valoare). Pentru un tub de această dimensiune, la presiune atmosferică, ar fi nevoie probabil de aproximativ 1.400 până la 2.000 de kilovolți (sau între aproximativ 1,4 și 2 milioane de volți) pentru a obține ruptura, iar arcul electric rezultat ar fi similar cu cele pe care le vedem la un generator Van de Graaff. Deoarece bobina de inducție produce un potențial de câțiva kilovolți, sau poate câteva zeci de kilovolți, nu putem observa acest tip de defalcare în această demonstrație.
Cum începeți să pompați aerul din tub, la un moment dat, probabil la câteva zeci de torr, veți vedea o descărcare largă, în formă de panglică, pe lungimea tubului. (Aceasta începe ca mai multe serpentine subțiri atunci când apare prima dată defalcarea.) Când presiunea ajunge la câțiva torr, descărcarea formează diverse regiuni deschise și întunecate. Pornind de la catod, o descărcare luminoasă tipică prezintă o regiune subțire, luminoasă, în apropierea catodului, separată de acesta printr-un strat întunecat subțire numit spațiu întunecat Aston. Regiunea luminoasă subțire se numește luminozitate catodică. De cealaltă parte a strălucirii catodice se află un spațiu întunecat mai larg, numit spațiu întunecat catodic sau spațiu întunecat Crookes sau Hittorf. Urmează o regiune luminoasă numită strălucire negativă, urmată de un alt spațiu întunecat numit spațiul întunecat Faraday. După spațiul întunecat Faraday se află o regiune lungă incandescentă numită coloana pozitivă, care umple cea mai mare parte a distanței dintre electrozi. Uneori, capătul anodic al coloanei pozitive este mai strălucitor decât restul; acest lucru se numește strălucire anodică. Acest capăt al coloanei pozitive este separat de anod printr-o regiune întunecată numită spațiul întunecat al anodului. De obicei, pentru o presiune și o tensiune aplicată date, dimensiunile diferitelor regiuni ale descărcării luminoase sunt destul de bine definite, coloana pozitivă variind în funcție de distanța dintre electrozi. În această demonstrație, este posibil ca multe dintre caracteristicile enumerate mai sus să nu fie ușor vizibile și veți vedea striații în coloana pozitivă.
Dacă continuați să pompați, la un moment dat descărcarea slăbește și, dacă obțineți o presiune suficient de scăzută, probabil sub aproximativ 1 militorr, aceasta se stinge. În această demonstrație, puteți obține o presiune suficient de scăzută pentru a întuneca aproximativ treimea de mijloc a tubului. Dacă ați reuși să obțineți o presiune suficient de scăzută, ați avea nevoie din nou de câteva sute de kilovolți pentru a provoca defectarea și, în acest caz, ați observa o strălucire mică sau deloc între electrozi, dar sticla ar emite o fluorescență verzuie. Această fluorescență se datorează coliziunilor de electroni de mare viteză generate la catod, sau raze catodice. Într-un tub cu electrozi perforați (cei din această demonstrație sunt solizi), în aceste condiții se pot vedea puncte în spatele fiecărui electrod. În spatele anodului, acestea provin de la razele catodice. În spatele catodului, acestea provin din coliziunile cu sticla ionilor care au traversat tubul de la anod, sau raze anodice.
Cum s-a menționat mai sus, plasma care alcătuiește descărcarea (sau cel puțin părțile în care strălucirea este cea mai puternică) este un amestec neutru din punct de vedere electric de electroni, ioni și molecule neutre excitate (sau, într-un gaz monatomic, atomi). Electronii circulă de la catod la anod, iar ionii se deplasează în direcția opusă. Atunci, când țineți magnetul prezentat în fotografie lângă partea laterală a tubului, acest lucru dă naștere la un qv × B, iar electronii și ionii suferă o forță laterală. Deoarece ambele tipuri de particule se deplasează în direcții opuse, dar au și semnul opus, ele sunt deviate împreună. Așadar, când apropiați magnetul de tub, plasma se curbează în jurul zonei în care țineți polul magnetului și puteți muta curbura pe măsură ce schimbați orientarea magnetului.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics) (Londra: Methuen & Co., Ltd., 1966) pp. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Conductori gazoși: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) pp. 162-9, 205-7, 212-14.
.