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.
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:
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.
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.
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:
- Bauman E., Applications of Neon Lamps and Discharge Tubes, Carleton Press, 1966, str. 18
- Burton W.E., Magic with neon glow lamps, Popular Science, New York, 1948, 152(2), str. 194–196
- Marcus R.K., Glow Discharge Spectroscopies, Kluwer Academic Publishers, 1993
- Miller W.G., Using and Understanding Miniature Neon Lamps, Howard W. Sams, 1969
Marek Ples