En induktionsspole, vars primära spole arbetar på sex volt, ger pulserande högspänning över ändarna av ett urladdningsrör, i vars båda ändar det finns en cirkulär platta med en diameter som är ungefär lika stor som rörets innerdiameter. Avståndet mellan elektroderna är cirka 71,5 cm och rörets diameter är cirka 4,5 cm. Du kan evakuera röret genom att ansluta en vakuumpump till sidoarmen i mitten av röret.
Med röret vid atmosfäriskt tryck, när du slår på induktionsspolen, är dess utgångsspänning inte tillräckligt hög för att åstadkomma genomslag. När man sätter igång pumpen och börjar evakuera röret, när trycket når flera tiotals torr, ser man tunna, intensiva band som sträcker sig över utrymmet mellan elektroderna. Dessa sammanfogas sedan till ett bredare, enskilt band. Sedan lyser hela utrymmet mellan elektroderna upp. Så småningom uppträder strimmor i den mellersta delen. Om du pumpar i flera minuter blir den mellersta tredjedelen av röret mörkare i förhållande till ändarna. Den glödande gasen som fyller röret är ett plasma, som du kan avleda på olika sätt med magneten som visas på fotot.
Denna demonstration visar en typ av elektrisk urladdning genom en gas, kallad glödladdning. Demonstrationerna 56.32 — Wimshurst-maskiner, 56.45 — Gnistor med Van de Graaff-generatorn, 56.54 — Blixtstång och 60.06 — Jakobs stege handlar alla om ett liknande fenomen, den elektriska nedbrytningen av luft, med resulterande ljusbågar. (Demonstration 56.54 innefattar också koronaurladdning, och 60.21 — Kondensatorgnista och 72.54 — Induktionsgnista ger också imponerande ljusbågar). Till skillnad från en ljusbåge har en glödurladdning en struktur; den har ljusa och mörka områden på specifika ställen, vilket beskrivs i texten nedan.
Glödurladdning är bildandet av ett plasma genom den elektriska nedbrytningen av en gas. Normalt sett är gaser isolatorer. På grund av kosmisk strålning eller annan naturlig bakgrundsstrålning innehåller en gasvolym några slumpmässigt genererade elektroner. När man placerar en högspänning över två elektroder i gasen accelereras dessa elektroner i det elektriska fältet mellan elektroderna. Om elektronernas genomsnittliga fria väg är tillräckligt lång för att de över denna sträcka får tillräckligt med energi för att jonisera en gasmolekyl, frigörs fler elektroner som sedan joniserar fler gasmolekyler. De joner som bildas på detta sätt kan också avge elektroner när de kolliderar med den negativa elektroden (katoden). De olika kollisionerna mellan elektroner, joner och neutrala gasmolekyler resulterar i en uppdelning, och en ström upprätthålls mellan katod och anod i urladdningsröret. Den plasma som bildas på detta sätt är en elektriskt neutral blandning av elektroner, positiva joner och elektroniskt exciterade neutrala gasmolekyler. Det är emissionen av exciterade molekyler som slappnar av till lägre energitillstånd som vi ser som glöden.
Som framgår av ovanstående finns det ett samband mellan gastrycket, avståndet mellan elektroderna och den lägsta spänning vid vilken nedbrytning sker. Nedbrytningsspänningen Vs (för ”gnistspänning”) är en funktion av p, trycket, och d, avståndet mellan elektroderna. Den exakta formen på denna funktion varierar något beroende på den aktuella gasen, men huvuddragen är desamma. Den har ett minimum som sträcker sig från ungefär en till några hundra volt, vid ett pd i storleksordningen en torr-cm. På båda sidor om detta minimum stiger Vs. Denna kurva återspeglar det kanske överraskande beteendet att det för ett givet tryck, och för en viss applicerad spänning över minimum, finns ett intervall av elektrodavstånd över vilket nedbrytning sker, men om man flyttar elektroderna antingen för långt ifrån varandra eller för nära varandra är spänningen otillräcklig för att orsaka nedbrytning. Detta beror i huvudsak på att när elektroderna är för nära varandra är elektronernas genomsnittliga fria väg för lång i förhållande till klyftan, och det sker inte tillräckligt många kollisioner för att orsaka genombrott. När elektroderna däremot är för långt ifrån varandra är klyftan för mycket längre än elektronernas genomsnittliga fria väg, och elektronerna utsätts för så många kollisioner att de aldrig når fram till anoden. Den lag som anger förhållandet mellan Vs, p och d kallas Paschens lag, och kurvan kallas Paschenkurva, efter Friedrich Paschen, som utvecklade dem utifrån observationer som han gjorde av urladdningar i olika gaser.
Den typ av urladdning som uppstår för en given gassammansättning beror på trycket, spänningen över elektroderna och strömmen genom plasman. I den här demonstrationen kontrolleras inte strömmen och man varierar trycket genom att pumpa genom rörets sidoarm. (En klämma eller ventil skulle kunna läggas till för att göra det möjligt att hålla trycket på ett visst värde). För ett rör av den här storleken, vid atmosfäriskt tryck, skulle det troligen krävas ungefär 1 400 till 2 000 kilovolt (eller mellan cirka 1,4 och 2 miljoner volt) för att uppnå genombrott, och den resulterande ljusbågen skulle likna den som man ser med en Van de Graaff-generator. Eftersom induktionsspolen producerar en potential på flera kilovolt, eller kanske flera tiotals kilovolt, kan vi inte observera denna typ av nedbrytning i den här demonstrationen.
När man börjar pumpa ut luften ur röret ser man vid en viss punkt, troligen flera tiotals torr, en bred, bandliknande urladdning längs rörets längd. (Detta börjar som flera tunna strömmar när nedbrytningen först sker.) När trycket når några torr bildar urladdningen olika ljusa och mörka områden. Med utgångspunkt från katoden uppvisar en typisk glödurladdning ett tunt, glödande område nära katoden, som skiljs från den av ett tunt mörkt skikt som kallas Aston dark space. Det tunna glödande området kallas katodglödet. På andra sidan katodglöden finns ett bredare mörkt område som kallas katodmörker, eller Crookes- eller Hittorfmörker. Därefter följer ett glödande område som kallas det negativa glödet, följt av ett annat mörkt område som kallas Faraday-mörkret. Efter Faradays mörka rum finns ett långt glödande område som kallas den positiva kolumnen och som fyller större delen av avståndet mellan elektroderna. Ibland är anodändan av den positiva kolumnen ljusare än resten; detta kallas anodglöd. Denna ände av den positiva kolonnen skiljs från anoden av ett mörkt område som kallas det mörka anodrummet. För ett givet tryck och en given spänning är vanligtvis dimensionerna av glödladdningens olika områden ganska väldefinierade, och den positiva kolumnen varierar beroende på avståndet mellan elektroderna. I den här demonstrationen kanske många av de egenskaper som anges ovan inte är lätt synliga, och du kommer att se strimmor i den positiva kolumnen.
Om du fortsätter att pumpa, försvagas urladdningen vid någon tidpunkt, och om du får trycket tillräckligt lågt, troligen under cirka 1 millitorr, slocknar den. I den här demonstrationen kan du få trycket tillräckligt lågt för att mörka ungefär den mellersta tredjedelen av röret. Om trycket skulle vara tillräckligt lågt skulle det återigen krävas flera hundra kilovolt för att åstadkomma en nedbrytning, och i detta fall skulle man observera ett litet eller inget glödande ljus mellan elektroderna, men glaset skulle avge en grönaktig fluorescens. Denna fluorescens beror på kollisioner mellan höghastighetselektroner som genereras vid katoden, eller katodstrålar. I ett rör med perforerade elektroder (de i den här demonstrationen är solida) kan man under dessa förhållanden se prickar bakom varje elektrod. Bakom anoden kommer dessa från katodstrålar. Bakom katoden kommer de från kollisioner med glaset av joner som har korsat röret från anoden, eller anodstrålar.
Som nämnts ovan är plasmat som utgör urladdningen (eller åtminstone de delar där glöden är starkast) en elektriskt neutral blandning av elektroner, joner och exciterade neutrala molekyler (eller, i en enatomig gas, atomer). Elektronerna flödar från katoden till anoden och jonerna rör sig i motsatt riktning. När man håller magneten som visas på fotot nära rörets sida uppstår en qv × B, och elektroner och joner utsätts för en sidokraft. Eftersom båda typerna av partiklar rör sig i motsatt riktning, men också har motsatt tecken, avlänkas de tillsammans. Så när man för magneten nära röret böjs plasman runt det område där man håller magnetens pol, och man kan flytta runt böjningen när man ändrar magnetens orientering.
1) Llewellyn-Jones, Frank. The Glow Discharge and an Introduction to Plasma Physics (London: Methuen & Co., Ltd., 1966) s. 3-8
2) Cobine, James Dillon. Gasformiga ledare: Theory and Engineering Applications (New York: Dover Publications, Inc., 1958) s. 162-9, 205-7, 212-14.
.