¿Por qué sólo brilla un lado de una lámpara de neón?

Question

Cuando se aplica corriente continua a una lámpara de neón, sólo brilla el electrodo cargado negativamente:

Los voltajes a través de las lámparas están a la izquierda: CC (cable izquierdo positivo), centro: DC (cable derecho positivo), y derecha: CA.

Pero... ¿por qué? Los electrodos tienen la misma forma, por lo que el campo eléctrico que los rodea debería tener la misma forma, y el gas debería romperse en las regiones en las que la intensidad del campo eléctrico está por encima de algún umbral, lo que parece que sería simétrico. ¿Hay alguna diferencia en el umbral entre positivo y negativo ¿coronas? Si es así, ¿se encienden ambos lados con un voltaje suficientemente alto? ¿O tal vez sólo es posible un tipo de corona en el neón ya que es un gas noble? ¿Si contuviera aire, brillaría en ambos electrodos?

¿Funcionan los carteles de neón de forma diferente, ya que tienen una larga región de gas incandescente, en lugar de brillar sólo cerca del cátodo?

Answer 1

La asimetría proviene de las diferentes masas de los electrones y los iones de neón (los iones de neón son unas 36000 veces más pesados).

Esta asimetría de masas da lugar a diferentes secciones transversales para la excitación de los átomos de neón por los electrones y los iones. Hay algunas parcelas de esto aquí (figura 1a para los electrones, figura 1b para los iones). Los procesos interesantes de excitación ocurren por encima de unos 10eV para los electrones y 100eV para los iones.

Hay una simulación de descargas en Java muy chula: http://phet.colorado.edu/en/simulation/discharge-lamps . Cubre muy bien la excitación de los electrones, la estructura atómica del neón, las secciones transversales de aceleración y excitación, y demuestra por qué el resplandor puede ser localizado (brilla en el punto en que los electrones han sido acelerados hasta la energía necesaria), y por qué es asimétrico (todos los electrones parten del cátodo y pueden ganar energía en el camino hacia el ánodo).

Espero que esto responda a por qué sólo un lado puede brillar. Me gustaría poder explicar exactamente por qué el brillo está al lado del cátodo en la imagen, pero sólo estaría adivinando.

Answer 2

Son los átomos de gas excitados los que producen el resplandor al perder su excitación mediante la emisión de fotones.

La razón por la que hay más átomos excitados cerca del cátodo es doble:

1. Los átomos se excitan principalmente a través de colisiones con iones gaseosos de movimiento rápido y, en menor medida, con otros átomos gaseosos (neutros), NO con electrones (véanse los comentarios anteriores sobre las secciones transversales de dispersión). Estos iones hacer se forman mediante colisiones electrón-átomo (principalmente cerca del ánodo, donde los electrones se mueven más rápido), y estas colisiones favorecen que el gas pierda un electrón y se cargue positivamente. (Esto está relacionado con el efecto de cascada conocido como "descarga de Towsend"). Así, los iones positivos se aceleran hacia el cátodo y se mueven más rápidamente cerca de él, por lo que transfieren más energía cinética a otros átomos del gas cuando chocan con ellos. Estos átomos colisionados se excitan y emiten rápidamente fotones.

2. La pulverización. Algunos de los iones (y/o los átomos con los que chocan) impactarán en el propio cátodo, lo que (con cierta probabilidad) desprenderá átomos del propio cátodo y los liberará en el gas circundante con, en algunos casos, una velocidad significativa, y estos átomos expulsados del cátodo chocarán a su vez con el gas y excitarán los átomos del gas, que entonces emitirán fotones, etc.

El proceso básico se describe en la primera sección de el artículo de la Wikipedia sobre la descarga luminosa .

TL/DR: Los electrones del cátodo, en lugar de ser responsables de excitar los electrones de los átomos del gas circundante, en su lugar gratis estos electrones de los átomos de gas, dejando iones positivos que se aceleran hacia el cátodo y producen el resplandor al colisionar con átomos de gas neutros cerca del cátodo y excitarlos. Eso, y el sputtering. ;-)

Answer 3

En el manual del plan de estudios del 9º grado de Manitoba, se presenta la siguiente explicación: "La bombilla de neón emite electrones desde el electrodo negativo que chocan con los átomos de neón, emitiendo un resplandor rojizo-anaranjado en el cátodo negativo". En estos momentos estoy sacando el título de profesor y parece que se espera que deje que mis alumnos de 9º curso lo descubran por sí mismos aplicando el Modelo de Partículas de la electricidad. ¿A alguien le parece convincente esta explicación?

Answer 4

Bueno, Supongo que, en el caso de la CA también, la lámpara está brillando en un solo electrodo, pero desde su alternancia a 50Hz( depende de su geografía/país) la persistencia de la visión está haciendo que usted vea ambos brillan al mismo tiempo.

En el caso de la corriente continua, la lámpara brilla debido a los iones de Ne que golpean el cátodo (electrodo negativo). Es simplemente un tubo de descarga de gas. wiki

Answer 5

Hay un artículo en Physics of Plasmas,Phys. Plasmas 19, 072113 (2012); http://dx.doi.org/10.1063/1.4737189 que explica el fenómeno que aquí se comenta.

El mecanismo físico detrás del brillo del neón es la interacción dipolar inducida. Desgraciadamente, es demasiado difícil explicar la física sin ninguna matemática; y, uno debe referirse al artículo para los detalles.La figura 3 en el artículo da la idea pictórica detrás de la oscilación de las partículas cargadas.