Conduzione spontanea nei gas a pressione ridotta

L’innesco di una scarica elettrica in un gas rarefatto avviene con valori di tensioni minori, e si manifesta nell’istante della conduzione con aspetti differenti in funzione del grado di rarefazione del gas.
Il fenomeno sperimentalmente si può osservare attraverso un tubo di vetro a tenuta perfetta e con due elettrodi alle sue estremità. Un’estremità anodo (A) ed un’estremità catodo (C), in un punto centrale del tubo è ricavata un’apertura per l’applicazione di una pompa di aspirazione.
La scarica elettrica che si ottiene fra gli elettrodi si ha per tensioni sempre minori procedendo con la rarefazione del gas fino ad un minimo valore di tensione che corrisponde ad una pressione del gas di pochi decimi di millimetri di mercurio. In queste condizioni, con tensioni di poche centinaia di volt si ottiene una scarica ad una lunghezza di oltre un metro.
Se si aumenta il grado di rarefazione del gas, la tensione necessaria per la scarica tenderà a crescere rapidamente; raggiunta la condizione di vuoto spinto, la tensione aumenta ancora al punto che la scarica non si realizzerà più fra gli elettrodi di anodo e catodo, ma avverrà attraverso la superficie esterna del tubo.

Pertanto nei gas rarefatti il valore della tensione distruttiva dipenderà dal valore della pressione del gas,ovvero esiste per ogni gas un valore tipico di pressione che in genere risponde a qualche decina di millimetri di mercurio, per il quale la scarica si innesca con limitate tensioni a lunghezze notevoli, ed al disotto del valore di pressione, la tensione necessaria a provocare la scarica è elevatissima.
La scarica elettrica nei gas avviene con il fenomeno di ionizzazione per urto: infatti, al diminuire della pressione del gas, la distanza media fra le molecole aumenta ed anche il percorso che gli ioni presenti nel gas dovranno compiere fra due consecutivi urti con le molecole neutre. Per velocizzare gli ioni provocando la ionizzazione per urto, si richiede un'accelerazione minore, quindi la ionizzazione per urto ha inizio con l'azione di un campo elettrico meno intenso quanto minore è la pressione del gas.

Spingendo la rarefazione del gas oltre un certo limite, si riduce il numero di molecole e ioni al punto che non sia possibile la scarica elettrica se non con elevate tensioni; in tale situazione di vuoto elevato, una coppia di elettrodi con un intervallo di pochi decimi di millimetro supporterebbero un valore di tensione elevatissima che non supporterebbero se con qualche centimetro di distanza in condizioni di aria alla pressione normale.
Consideriamo un tubo di vetro (rappresentato) al quale venga applica una tensione fra gli elettrodi di Anodo e Catodo di poche centinaia di volt. All'interno del tubo è presente aria o un gas alla pressione normale. In queste condizioni non avviene alcun fenomeno di scarica elettrica, in quanto la tensione non è sufficiente ad attivare il fenomeno di ionizzazione per urto. Per inizializzare il fenomeno si comincia ad estrarre l'aria dal tubo per mezzo di una pompa applicata nel punto di aspirazione del tubo. Inizieranno così a manifestarsi nell'interno del tubo, sottili strisce di luce violacea fra i due elettrodi, con un intervallo scuro nelle vicinanze del catodo.

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Continuando con la rarefazione dell'aria, le strisce diventano un'unica colonna rossastra all'interno di tutto il tubo che emette un bagliore, sempre con l'intervallo oscuro nelle vicinanze del catodo, intervallo che prende il nome di spazio oscuro di Hittorf. Quando la rarefazione raggiunge quota 0,2 millimetri di mercurio, nella colonna rossastra si forma una seconda zona oscura detta seondo spazio oscuro di Faraday, ed il catodo inizia a diventare luminescente e prende il nome di primo strato negativo. Il tubo in queste condizioni è come raffigurato, l'area dell'Anodo è interessata da una colonna luminosa detta colonna positiva, mentre lo spazio oscuro di Hittorf è seguito da uno strato luminescente violaceo detto bagliore negativo .
L'intensità di corrente che interessa il fenomeno nel tubo a regime, è dell'ordine di alcuni ampere, e la tensione si ripartisce lungo il tubo secondo la curva rappresentata dal diagramma, ovvero una tensione non uniformemente ripartita, ma con diverse cadute in funzione del percorso nel tubo.
Si ha una caduta anodica nel punto di anodo con un campo elettrico intenso ma di piccola estensione; a seguire la colonna positiva con un campo elettrico uniforme, ma meno intenso con una caduta di tensione piccola; nello spazio oscuro di Faraday la caduta non è apprezzabile, mentre diventa più intenso il campo elettrico nell'area del bagliore negativo; al catodo si ha la caduta di tensione catodica che interessa la zona dello spazio oscuro di Hittorf che interessa la maggior parte della tensione applicata al tubo, in quanto realizza un intenso campo elettrico il vero campo acceleratore degli ioni, che imprime loro l'accelerazione verso il catodo e con il loro urto provocano la ionizzazione delle molecole superficiali generando la luminescenza del catodo. Allo stesso tempo gli elettroni distaccati dal catodo, vengono lanciati verso l'anodo e, nel loro percorso, provocano la ionizzazione per urto del gas, liberando altri elettroni che si uniranno ai precedenti dando or,igine al bagliore della colonna positiva entro la quale si formano ioni positivi attratti dal catodo.
Il fenomeno quindi risulta legato alla pressione del gas all'interno del tubo. Con una pressione elevata lo è anche il numero di molecole, e quindi gli urti sono elevati. Gli ioni preesistenti però non acquistano una velocità sufficiente a provocare urti per la generazione di nuovi ioni, mentre se la rarefazione si spinge oltre un certo limite, il numero di molecole è ridotto e di conseguenza ridotti gli urti ed insufficiente la generazione di ioni. La colonna positiva si contrae e si estende lo spazio scuro; proseguendo verso l'alto vuoto si formerà una leggera fluorescenza verde sulle pareti del tubo, quindi si ferma la conduzione.
Il processo di conduzione nei gas rarefatti, si verifica per effetto della caduta catodica che crea il campo elettrico che imprime agli ioni la velocità per l'ulteriore ionizzazione per urto. Nella colonna positiva il campo elettrico è sufficiente a mantenere il movimento con moto uniforme di ioni ed elettroni con la stessa velocità acquisita grazie all'accelerazione del campo della caduta catodica. Per tale motivo la colonna positiva assume forme ripiegate più o meno lunghe, e su questo principio si basano i tubi luminosi pubblicitari che in genere utilizzano come gas il neon.
Nella realizzazione delle scritte di insegne luminose, i diversi tubi vengono collegati in serie per ottenere lo stesso regime di funzionamento per le diverse lunghezze con tensioni di lavorodi qualche migliaio di volt.

Fonte Elettrotencica - Olivieri Ravelli