Газоразрядные лампы и светящиеся шары¶

Газоразрядная трубка — это стеклянный сосуд (трубка, колба или шар), заполненный разреженным газом или парами металла, в котором при пропускании электрического тока возникает электрический разряд, сопровождающийся свечением. Такие устройства относятся к классу газоразрядных источников света и широко применяются в осветительной технике, световой рекламе, научных демонстрациях и декоративных изделиях.

¶Принцип действия

Свечение газа основано на явлении электролюминесценции. К электродам, введённым в герметичный стеклянный объём, прикладывается напряжение. Свободные электроны, всегда присутствующие в газе в малом количестве, ускоряются электрическим полем и при столкновении с атомами газа ионизируют их. Возникает тлеющий или дуговой разряд: часть атомов переходит в возбуждённое состояние, а затем, возвращаясь на основной энергетический уровень, испускает фотоны. Цвет свечения определяется спектром излучения конкретного газа или смеси и почти не зависит от формы сосуда.

Для зажигания разряда требуется напряжение, превышающее напряжение пробоя, которое зависит от давления газа, расстояния между электродами и рода газа. После зажигания ток ограничивается балластным сопротивлением или специальным пускорегулирующим аппаратом.

¶Газы и цвета свечения

Именно неон дал название целому классу изделий — «неоновым лампам», хотя в современных вывесках часто используются и другие газы.

¶История

Наблюдения свечения разреженного газа относятся к началу XVIII века. В 1675 году французский астроном Жан Пикар заметил слабое свечение ртутного барометра при встряхивании. В 1855 году немецкий физик и стеклодув Генрих Гейслер изготовил первые надёжные разрядные трубки с электродами, получившие его имя. В 1857 году Юлиус Плюккер обнаружил, что цвет разряда зависит от газа.

В 1893 году на Всемирной выставке в Чикаго были показаны светящиеся трубки, созданные Николой Теслой. В 1901 году американский инженер Питер Купер Хьюитт запатентовал ртутную лампу низкого давления, а в 1910 году французский изобретатель Жорж Клод начал промышленное производство неоновых ламп. В России газоразрядные приборы разрабатывались в физических лабораториях с начала XX века; в 1920-е годы появились первые отечественные световые вывески.

¶Виды газоразрядных устройств

• Лампы тлеющего разряда — неоновые индикаторы, лампы-буквы для вывесок, сигнальные лампы.
• Люминесцентные лампы — ртутные лампы низкого давления, ультрафиолетовое излучение которых преобразуется люминофором в видимый свет.
• Газоразрядные лампы высокого давления — ртутные, натриевые, металлогалогенные, ксеноновые; применяются для уличного освещения, в прожекторах, кинопроекции.
• Декоративные плазменные шары — стеклянный шар с разреженным газом и центральным электродом; разряд образует движущиеся нити.
• Газоразрядные знаковые индикаторы — например, знаковые панели и цифровые индикаторы на тлеющем разряде.

¶Плазменный шар

Плазменный шар (плазменная лампа) представляет собой стеклянную сферу, заполненную смесью инертных газов при пониженном давлении, с электродом в центре. При подаче высокочастотного высокого напряжения от центрального электрода к внешней поверхности расходятся светящиеся разрядные шнуры. Приближение руки к поверхности шара меняет конфигурацию разряда, поскольку тело человека работает как ёмкость. Такие устройства используются как декоративные светильники и демонстрационные приборы в физике.

¶Применение

Газоразрядные приборы применяются в освещении улиц, производственных помещений и офисов, в световой рекламе, в сигнальных и индикаторных устройствах, в научных экспериментах по спектроскопии, в лазерной технике (в частности, гелий-неоновые лазеры), в фотографии и полиграфии (источники ультрафиолета), а также в декоративных изделиях.

¶Технические особенности

К достоинствам газоразрядных источников света относятся высокая световая отдача по сравнению с лампами накаливания, длительный срок службы и возможность получения различных спектров. К недостаткам — необходимость пускорегулирующей аппаратуры, зависимость характеристик от температуры окружающей среды, наличие ртути в некоторых типах ламп и связанные с этим требования утилизации. Утилизация ртутных ламп в России регулируется законодательством об отходах производства и потребления.

¶Безопасность

Стеклянные колбы находятся под пониженным или повышенным давлением и при повреждении могут разлетаться на осколки. Ртутные лампы требуют осторожного обращения и специальной утилизации. Высокое напряжение, используемое для питания, представляет опасность при нарушении изоляции. Декоративные плазменные шары при исправном исполнении безопасны, однако не предназначены для разборки.

¶Интересные факты

• Свечение газов в разрядных трубках сыграло ключевую роль в открытии электрона и рентгеновского излучения.
• Название «неоновая лампа» закрепилось за всеми газосветными вывесками, хотя неон используется лишь в части из них.
• Спектральные линии газов позволяют определять химический состав удалённых объектов, что лежит в основе спектрального анализа звёзд.

Источники: учебные пособия по физике газового разряда, справочники по светотехнике, материалы по истории осветительной техники, нормативные документы по обращению с отходами.