لامپ نئون: لامپی که در ولتاژ بالا و بر اثر یونیزه شدن گاز نور تولید می‌کند.

لامپ نئون: از یونیزاسیون گاز تا نور

ساختار داخلی و مکانیزم یونیزاسیون گاز

یک لامپ نئون ساده از یک محفظه شیشه‌ای تشکیل شده است که حاوی گاز نئون در فشار بسیار کم (چند میلی‌متر جیوه) می‌باشد. دو الکترود فلزی در دو انتهای این محفظه قرار گرفته‌اند. برخلاف لامپ‌های رشته‌ای که با گرم شدن رشته نور تولید می‌کنند، در لامپ نئون هیچ رشته‌ای وجود ندارد. هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) کافی بین دو الکترود برقرار شود، میدان الکتریکی قوی درون گاز ایجاد می‌شود. این میدان به الکترون‌های آزاد موجود در گاز (که بر اثر تابش زمینه‌ای یا میدان‌های الکتریکی بیرونی ایجاد شده‌اند) شتاب می‌دهد. اگر انرژی جنبشی این الکترون‌ها به اندازه کافی زیاد باشد، در هنگام برخورد با اتم‌های خنثی نئون، می‌توانند یکی از الکترون‌های لایه بیرونی آن اتم را جدا کنند. این فرآیند یونیزاسیون نامیده می‌شود. در نتیجه، یک جفت یون مثبت و الکترون آزاد جدید ایجاد می‌شود. الکترون جدید نیز خود شتاب گرفته و با اتم‌های دیگر برخورد می‌کند و یک واکنش زنجیره‌ای ایجاد می‌کند. گاز به حالت پلاسما درآمده و رسانا می‌شود. اما نور مرئی چگونه تولید می‌شود؟ الکترونی که از اتم جدا شده، پس از مدتی به سمت یون مثبت جذب شده و دوباره به آن می‌پیوندد. این فرآیند بازترکیب نام دارد. الکترون در این بازگشت، انرژی مازاد خود را به صورت یک فوتون (ذره نور) آزاد می‌کند. طول موج این فوتون به اختلاف انرژی بین تراز انرژی که الکترون از آن آمده و ترازی که به آن بازگشته است بستگی دارد. در گاز نئون، این طول موج عمدتاً در محدوده نارنجی-قرمز طیف مرئی قرار می‌گیرد. بنابراین، دلیل اصلی درخشش لامپ نئون، تابش ناشی از بازترکیب الکترون‌ها و یون‌هاست. برای روشن شدن لامپ، ولتاژ باید به یک مقدار آستانه به نام ولتاژ شکست برسد. این ولتاژ به عوامل مختلفی مانند جنس گاز، فشار گاز و فاصله بین الکترودها بستگی دارد. برای لامپ‌های نئون معمولی، این ولتاژ حدود 60 تا 110 ولت است. پس از شکست، ولتاژ دو سر لامپ کمی کاهش یافته و جریان از مدار عبور می‌کند. برای جلوگیری از افزایش بی‌رویه جریان و سوختن لامپ، همیشه از یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با لامپ استفاده می‌شود.

طیف رنگی و نقش گازهای دیگر

رنگ نور تولید شده در لامپ‌های تخلیه گازی منحصراً به جنس گاز درون لامپ بستگی دارد. هر گاز ساختار اتمی منحصر به فردی دارد و ترازهای انرژی الکترون‌های آن با گاز دیگر متفاوت است. بنابراین، فوتون‌های گسیل شده در هنگام بازترکیب، طول موج‌های مشخص و متفاوتی دارند. در حالی که گاز نئون خالص نوری نارنجی-قرمز تولید می‌کند، با استفاده از گازهای دیگر می‌توان به رنگ‌های متنوعی دست یافت. گاهی نیز از فسفر استفاده می‌شود؛ به این صورت که نور فرابنفش حاصل از تخلیه در گاز (مانند بخار جیوه) به فسفر پوشانده شده بر روی دیواره لامپ برخورد کرده و آن را وادار به تابش نور مرئی با رنگ دلخواه می‌کند. جدول زیر رنگ نور برخی از گازهای رایج را نشان می‌دهد: همانطور که مشاهده می‌شود، واژه "لامپ نئون" در فرهنگ عمومی به تمام لامپ‌های تخلیه گازی اطلاق می‌شود، اگرچه از نظر علمی فقط به لامپ‌های حاوی گاز نئون با رنگ نارنجی-قرمز اختصاص دارد.

کاربردهای عملی از دیروز تا امروز

لامپ‌های نئون و تخلیه گازی علیرغم ظهور LEDها، هنوز هم در کاربردهای خاصی به دلیل مزایای منحصر به فرد خود مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• تابلوهای تبلیغاتی نئون: معروف‌ترین کاربرد این لامپ‌ها است. لوله‌های شیشه‌ای نازک و خمیده که با گاز نئون یا آرگون پر شده‌اند، در شب‌های شهر می‌درخشند. علیرغم رقابت با نوارهای LED، نور نرم و یکنواخت و جلوه کلاسیک لامپ‌های نئون شیشه‌ای هنوز طرفداران خود را دارد.
• چراغ‌های نشانگر: تا همین اواخر، در بسیاری از تجهیزات الکتریکی مانند پریزهای برق، اتو، کتری‌های برقی و کامپیوترهای قدیمی، از یک لامپ نئون کوچک برای نشان دادن وضعیت روشن بودن دستگاه استفاده می‌شد. دلیل این انتخاب، مصرف بسیار کم، عمر طولانی و عدم نیاز به تبدیل ولتاژ (کار مستقیم با برق شهر) بود. امروزه بسیاری از این موارد با LED جایگزین شده‌اند.
• تجهیزات حفاظت از ولتاژ: از خاصیت یونیزه شدن گاز در ولتاژ بالا در برق‌گیرهای گازی (GDT) استفاده می‌شود. این قطعات که شبیه دو الکترود درون یک محفظه کوچک گاز هستند، در مدارهای حساس الکترونیکی برای محافظت در برابر نوسانات و صاعقه به کار می‌روند. در حالت عادی، گاز عایق است، اما با افزایش ناگهانی ولتاژ، گاز یونیزه شده و مسیر جریان را به زمین هدایت می‌کند و از قطعات گران‌قیمت محافظت می‌نماید.
• مدارهای الکترونیکی ساده: از لامپ نئون می‌توان در مدارهای نوسان‌ساز ساده مانند چشمک‌زن (مولتی‌ویبراتور) یا مدارهای آسایش استفاده کرد. یک مثال معروف، لامپ‌های شب‌نمایی هستند که با کمک یک مقاومت و خازن، به طور خودکار روشن و خاموش می‌شوند.

برای مثال، یک مدار ساده چشمک‌زن با لامپ نئون از طریق شارژ و دشارژ یک خازن کار می‌کند. خازن از طریق یک مقاومت شارژ می‌شود تا ولتاژ دو سر آن به ولتاژ شکست لامپ نئون برسد. در این لحظه، لامپ روشن شده و خازن را به سرعت از طریق خودش دشارژ می‌کند. با کاهش ولتاژ، لامپ خاموش شده و چرخه دوباره آغاز می‌شود. زمان روشن و خاموش شدن با مقادیر مقاومت و خازن تعیین می‌شود: $ T \approx R \times C $.

پرسش‌های چالش‌برانگیز مفهومی

پاورقی

¹ ولتاژ شکست (Breakdown Voltage): حداقل ولتاژی که باید به دو سر یک عایق (مانند گاز) اعمال شود تا آن عایق به طور ناگهانی به رسانا تبدیل شود و جریان از آن عبور کند.
² یونیزاسیون (Ionization): فرآیندی که در آن یک اتم یا مولکول خنثی، با از دست دادن یا گرفتن یک یا چند الکترون، به یون تبدیل می‌شود.
³ بازترکیب (Recombination): فرآیندی که در آن یک یون مثبت و یک الکترون آزاد دوباره به یکدیگر پیوسته و یک اتم خنثی تشکیل می‌دهند که اغلب با گسیل یک فوتون همراه است.
⁴ برق‌گیر گازی (Gas Discharge Tube - GDT): قطعه‌ای حفاظتی که از یک محفظه کوچک پر از گاز و دو یا چند الکترود تشکیل شده و برای مسیردهی ولتاژهای اضافی و گذرا به زمین استفاده می‌شود.