Scala di Cross o scala del vuoto

Scala di Cross o scala del vuoto (collezione De Rubeis).

Scala di Cross o scala del vuoto (collezione De Rubeis).

Questo apparecchio, detto “scala di Cross” dal nome del fisico statunitense Charles Robert Cross (1848-1921), che lo propose alla fine del XIX secolo, è composto da una serie di tubi nei quali è possibile osservare scariche elettriche in aria a diverse pressioni.
Il modello si compone di sei tubi a vuoto, di vetro e di uguale lunghezza, disposti verticalmente e montati in parallelo su un telaio di legno. Gli elettrodi superiori di ciascun tubo sono collegati in serie tramite un unico nastro metallico con serrafilo, mentre il contatto con l’elettrodo inferiore si realizza di volta in volta attraverso uno spinotto la cui posizione è regolabile su punti di contatto diversi. Nei tubi è praticato il vuoto in diverso grado.

Collegati ad una bobina di induzione essi mostrano diversi aspetti caratteristici delle scariche nei gas rarefatti (filamentosa, stratificazioni, spazi oscuri, ecc.). Infatti la scarica attraverso il gas, che è dovuta al movimento di ioni presenti nel gas stesso (ciascuno nel verso definito dal segno della propria carica), dipende dal grado di vuoto praticato nel tubo.
A seconda del grado di rarefazione dell’aria nei singoli tubi si osservano differenti aspetti della scarica:

 

 Tubo (n°) Pressione (mm/Hg)   Tipo di scarica e di vuoto
     
0 760 Quando l’aria nel tubo è ancora a pressione atmosferica o di poco inferiore a questa, si osserva una scarica a scintilla fra i due elettrodi.
1 40 Scarica filamentosa (comincia a formarsi un sottile nastro luminoso che unisce i due elettrodi) con crepitio caratteristico, non differisce da quella a pressione normale (vuoto di De la Rive)
2 10

Si osserva un bagliore omogeneo senza filamenti, il catodo si riveste di luce violacea ed il nastro è sfumato e volge al rosa (vuoto di De la Rive).
Si inizia ad osservare uno spazio di luminosità assai scarsa presso la regione catodica.

3  6 Scarica meno rumorosa. Fra la luce violacea che circonda il catodo e quella rossastra del tubo si nota uno spazio oscuro detto di Faraday.
 4  1-3 Lo spazio oscuro di Faraday è nettamente definito mentre si formano nella parte restante zone stratificate di colore (vuoto di Geissler).
   0,4 Scarica stratificata. Lo spazio scuro di Faraday si allunga verso l’anodo, la luce violacea si stacca dal catodo individuando un secondo spazio scuro, detto di Crookes-Hittorf, al catodo risulta una luminosità detta guaina catodica.
5 0,10 - 0,20 Le stratificazioni sono ridotte di numero e di intensità e lo spazio oscuro di Faraday occupa circa la metà del tubo. Il catodo è sempre avvolto dalla guaina catodica che desta una tenue fluorescenza intorno al catodo.
6 0,02 Sono assenti i fenomeni luminosi all’interno del tubo, la colonna positiva è stata assorbita dall’anodo e l’altro capo del tubo risplende di luce verdastra. Tale fenomeno è causato dalla fluorescenza del vetro sotto l’influenza dei raggi catodici (vuoto di Crookes).

 

Va sottolineato che la tensione tra i due elettrodi deve raggiungere valori elevati, in modo che il campo elettrico corrispondente (per l’aria deve essere dell’ordine di 104 V/cm) permetta agli ioni di acquistare energie cinetiche tali da innescare un “processo a valanga”, che determini la ionizzazione delle molecole inizialmente neutre.

 Fenomeni luminosi nei tubi della scala di Cross

Fenomeni luminosi nei tubi della scala di Cross.


Occorre osservare che al variare della pressione, variano in modo evidente la differenza di potenziale necessaria a mantenere la scarica, la quantità di corrente che attraversa il tubo e quindi le caratteristiche della scarica stessa. In particolare si osserva che il valore del potenziale a cui di innesca la scintilla accompagnata da fenomeni acustici e luminosi diminuisce proporzionalmente alla pressione e che la corrente, inizialmente piuttosto intensa, al diminuire della pressione, scende gradualmente a valori molto bassi (1).

 

1. Ciò è spiegabile con il fatto che diventando il gas più rarefatto, diminuisce il numero di ioni che trasportano la carica da un elettrodo all’altro. Inoltre poiché il percorso che essi devono compiere tra due urti successivi aumenta, per provocare la ionizzazione per urto (processo a valanga) occorre un campo elettrico tanto meno intenso, quanto è minore la pressione, ovvero è maggiore il grado di rarefazione del gas. Sicché nei gas rarefatti si possono ottenere delle scariche con tensioni modeste. La situazione cambia nel caso in cui il grado di rarefazione si è fatto così elevato da rendere meno probabili gli urti fra ioni e molecole del gas; in tal caso è necessario elevare la tensioni a parecchie migliaia di volt.