Weird Science

Neonówka

Jak zmu­sić gaz do świe­ce­nia?

Lampa neo­nowa lub ina­czej neo­nówka została wyna­le­ziona na początku dwu­dzie­stego wieku przez fran­cu­skiego wyna­lazcę Geor­ges'a Claude'a. Jest to naj­prost­szy typ lampy wyła­dow­czej. Ma ona postać szkla­nej bańki z wto­pio­nymi elek­tro­dami i wypełn­io­nej neo­nem pod niskim ciśnie­niem. Po przy­ło­że­niu do elek­trod wyso­kiego napięcia gaz świeci dzięki zacho­dzącemu wyła­do­wa­niu jarze­nio­wemu.

Naj­czę­ściej mówi się, że gazy są dobrymi izo­la­to­rami. I gene­ral­nie rzecz bio­rąc jest to prawda. W pew­nych okre­ślo­nych warun­kach może jed­nak docho­dzić do prze­pływu prądu elek­trycz­nego przez gaz. Jed­nym z typów wyła­do­wa­nia elek­trycz­nego w gazie jest wyła­do­wa­nie jarze­niowe.

Przy­pom­nijmy sobie czym jest prąd elek­tryczny. Defi­niuje się go jako upo­rząd­ko­wany ruch ładun­ków elek­trycz­nych w polu elek­trycz­nym. Zwy­kły gaz jest jed­nak zbu­do­wany z obo­jęt­nych ato­mów, które jako całość są całk­o­wi­cie obo­jętne elek­trycz­nie. Więc jak to możl­iwe? Zasta­nówmy się…

Gaz wypełn­ia­jący neo­nówkę składa się z obo­jęt­nych ato­mów, ale zaw­sze występuje w nim także nie­wielka ilość jonów. Jest to spo­wo­do­wane głów­nie joni­zu­jącym dzia­ła­niem pro­mie­nio­twór­czo­ści natu­ral­nej i pro­mieni kosmicz­nych. Po przy­ło­że­niu do elek­trod napięcia wytwo­rzy się między nimi pole elek­tryczne. Na cząstki obda­rzone ładun­kiem (jony) znaj­du­jące się w polu elek­trycz­nym działa siła Lorentza. Siła ta powo­duje, że jony zaczy­nają się poru­szać w kie­runku elek­trody o prze­ciw­nym do nich znaku. Dzięki temu, że gaz wew­nątrz neo­nówki jest roz­rze­dzony cząstki mogą nabrać więk­szej pręd­ko­ści między kolej­nymi wza­jem­nymi zde­rze­niami (więk­sza odle­głość między ato­mami w roz­rze­dzo­nym gazie). Jeśli ta odle­głość jest wystar­cza­jąco duża to ener­gia cząstek będzie wystar­cza­jąca by zjo­ni­zo­wać cząstki, z którymi się zde­rzają. Widzimy więc, że mimo małej począt­ko­wej liczby nośni­ków ładunku elek­trycz­nego ich liczba wzra­sta w szyb­kim tem­pie. Jest to tak zwana joni­za­cja lawi­nowa.

Musimy także pamiętać, że natura zaw­sze dąży do stanu o naj­niższej ener­gii: stan wzbu­dzony jest nie­sta­bilny. Cząstki mają ten­den­cję do szyb­kiego prze­cho­dze­nia z nie­tr­wa­łego stanu wzbu­dzo­nego do trwa­łego stanu pod­sta­wo­wego o niższej ener­gii. Różn­ica ener­gii zostaje wtedy wypro­mie­nio­wana w postaci kwantu o ści­śle okre­ślo­nej ener­gii. W tym przy­padku jest to foton i dla­tego obser­wu­jemy świe­ce­nie.

Każdą lampę neo­nową cha­rak­te­ry­zują dwie naj­ważn­iej­sze wiel­ko­ści: napięcie zapłonu i niższe od niego napięcie gaśnięcia. Powo­duje to, że neo­nówka wyka­zuje w pew­nym zakre­sie ujemną rezy­stan­cję dyna­miczną podob­nie jak dioda tune­lowa i negi­stor. Dzięki temu neo­nówki daw­niej bywały wyko­rzy­sty­wane w ukła­dach gene­ra­cyj­nych.

Do zabawy!

Należy zacho­wać ostrożn­ość! Doświad­cze­nia, w których występuje wyso­kie napięcie nie­pełn­o­letni eks­pe­ry­men­ta­to­rzy powinni wyko­ny­wać pod kon­trolą doświad­czo­nego nau­czy­ciela. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Neo­nówki były daw­niej pow­szech­nie wyko­rzy­sty­wane. Dziś naj­częśniej są uży­wane w dłu­go­pi­so­wych prób­ni­kach napięcia. Poni­żej przed­sta­wiam zdjęcie dwóch neo­nówek.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Więk­sza z nich ma wbu­do­wany w cokół wyso­ko­o­mowy opor­nik i nadaje się do bez­po­śred­niego pod­łącza­nia do sieci. Neo­nówka po pra­wej ma bar­dzo małą moc i jest wyko­rzy­sty­wana jako pod­świe­tle­nie włącz­ni­ków napięcia lub w prób­ni­kach elek­trycz­nych.

Jeśli chcemy prze­pro­wa­dzić jakie­kol­wiek doświad­cze­nia z neo­nów­kami to musimy zao­pa­trzyć się w źródło wyso­kiego napięcia. W przy­padku neo­nówek nie jest potrzebna zbyt wysoka wydaj­ność prądowa (ZVS nie nadaje się tutaj bo ma zbyt wysoką moc). Naj­pro­ściej użyć nie­wiel­kiej prze­twor­nicy sto­so­wa­nej do zasi­la­nia pod­świe­tle­nia w moni­to­rach lcd. Ja uży­wam prze­twor­nicy wymon­to­wa­nej ze sta­rego ska­nera. Zasi­lała ona lampę oświe­tla­jącą pod­czas ska­no­wa­nia. Wygląda tak:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Układ ten wytwa­rza prad prze­mienny o napięciu wystar­cza­jąco wyso­kim do zapłonu neo­nówki. Po pod­łącze­niu wyraźnie widać świe­ce­nie gazu. Gaz świeci zaw­sze w poblizu elek­trody ujem­nej, lecz w przy­padku zasi­la­nia prądem zmien­nym role elek­trod zmie­niają się z dużą często­tli­wo­ścią. Dzięki temu widzimy świe­ce­nie w pobliżu obu elek­trod.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Barwa świa­tła emi­to­wa­nego przez wzbu­dzony gaz ści­śle zależy od rodzaju tego gazu. Dla neonu jest to barwa poma­rańczowa.

Cie­ka­wostka

Zestawmy przed­sta­wiony poni­żej obwód skła­da­jący się z neo­nówki i omówio­nej poprzed­nio prze­twor­nicy.

Ilustracja

Na pierw­szy rzut oka może się to wyda­wać dosyć dziwne. Tylko jeden bie­gun zasi­la­nia pod­łączony do neo­nówki? Wydaje się, że ten obwód nie jest zamk­nięty i prąd nie popły­nie. Wystar­czy jed­nak zbli­żyć dłoń lub dotk­nąć bańki lampy neo­no­wej by gaz w niej zaczął świe­cić. Dzieje się tak dzięki temu, że prąd zmienny ma zdol­ność do prze­ni­ka­nia przez pojem­ność elek­tryczną. W tym wypadku pojem­ność układu masa-ciało eks­pe­ry­men­ta­tora jest wystar­cza­jąca, by w ukła­dzie popły­nął prąd. Jest on bar­dzo nie­wielki, lecz wystar­cza­jący by pobu­dzić gaz do świe­ce­nia. Mała war­tość natęże­nia prądu spra­wia, że doświad­cze­nie jest całk­o­wi­cie bez­pieczne.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa