有不少读者可能对霓虹灯管奇特的发光原理有所兴趣,这次我同大家探讨一下关于霓虹灯管发光的基本工作原理及应用。

    在严寒的气候条件下，充满惰性气体和水银粉的灯管所发出的光线变得非常难看——暗淡无光，使原本美丽的霓虹变得象几天没有洗脸的懒女人。自从20年前电子电源应用于霓虹灯设计领域后，虽然解决了这一问题，但是这时候又出现了另一个奇怪的技术难题——那就是水银迁移，俗称灯管黑头现象。

    霓虹灯管一端开始变暗，有暗圈产生了。不用多久，暗圈就会蔓延到另一端，形成非常难看的黑圈。出现这种情况的灯管内部一般都装填有氩气和水银，而且管长与管径的比值较大，还使用电子电源供电。这些灯管没有其他任何不正常的现象，比如灯管既不灼热，也不缺少水银粉。不过，如果你用老式的变压器对灯管进行测试，这一症状就会消失。

    物质转移的意义与霓虹发光原理

    液态的水银在受到转移影响时，便聚集在电极的某一端，而另一端则几乎没有水银了。在制造灯管过程中水银均匀分布管内，此时却转移到了一端，在发光的过程中，就形成我们肉眼看到的黑圈，俗称黑头现象，这就是该现象名字的来历。

    霓虹灯管内主要含有两种物质：中性气体原子和自由电子。首先，电子带负电荷，因此受正电极吸引。这种吸引力令电子加速运动，速度高达2.2×106英里/小时，直到与中性原子碰撞才慢下来。

    其次，电子在碰撞前只要获得足够高的速度（动能），则在碰撞中性气体原子时将释放出另一个电子，因此便有了两个自由电子。

    失去一个电子的气体原子已不再显电中性，但是，由于它失去了一个电子的负电荷，也就带正电。这种状态的原子被称为离子。这个过程描述起来虽然简单，却是一个很有趣并且非常重要的物理现象。

    第三，离子带正电后受阴极的吸引，而与电子的运动方向相反。失去电子的原子（也就是离子）由于受到阴极的引力作用，也会与电子一样获得加速运动。但由于一个普通的霓虹离子大约是电子重量的36823倍，所以在同气体原子或电子碰撞之前它获得的速度要小得多。

    第四，当电子或离子速度较慢时，离子的正电荷同电子的负电荷相互吸引，导致电子被离子俘获，从而又形成了中性的气体原子。结合过程中的多余能量则以光的形式释放出来，霓虹灯管就是利用这个原理发出光线而进行工作。

    如果上述的这四个过程不停地重复进行下去，电子会从负极移到正极，带电的气体原子也会聚集到负极。在灯管两端暂时消失的电子数量，由外电路通过两端电极进行补充。而气体原子始终存在，数量不变。

    前面给出的速度并不是宏观平均值。为了使理论更符合实际，必须将其他几个因素考虑在内：电子和原子由于热能的存在，无时无刻不在杂乱无章地运动着，这种统计学的平均运动使得其较长距离的漂移速度显著降低。而且，灯管内不全是填满水银蒸汽（其在霓虹灯管内，与液态水银形成气液平衡，所以我们只能把其看作范德华气体，而不是理想气体），还有氩气或氩氖混合气等回填气体。回填气体首先被电离，之后气体离子以物理学家称作“第二类碰撞”的方式将自身能量传递给分子量更大的水银原子。

    根据等离子体的比电导率（300MHO/米）和电荷载体密度（0.8库仑/立方米）粗略计算出的平均速度为1.35×104米/秒。

    这一平均速度与热扩散漂移相互叠加。为了说明叠加结果，我们制作出一根特殊灯管，内部充填霓虹气体和微量的几滴水银。当我将直流电接到灯管两端时，你可能会认为一眨眼工夫，所有水银就会转移50厘米长的灯管的另一端。

    热扩散始终试图抵消压力差，于是就产生了反作用力，因此，灯管必须在3.5mA左右的直流电下连续工作，才能使红蓝两色之间的界线保持在标记处。外加20mA的直流电时，所有的水银在大约17分钟时间里从灯管的一端移向了另一端。

    霓虹招牌工作时，气体原子不会被转移到一端，因为我们使用的是交流电，一秒钟时间内电极就交互变换120次，也就是说，招牌在使用电磁变压器时，气体和水银一秒钟内来回移动120次。

    在半个周期的短短时间里，也就是8.3毫秒内，一个气体原子会穿越大约1125米的距离——远远大于灯管尺寸。事实上，它们运动如此迅速，在半个周期内一定会与灯管的一端相撞。（注释：这种计算方法只适用于微观物质世界。由于灯管制作的时效处理过程中，需要花费数分钟甚至几小时才能将水银均匀分布在灯管内壁，因此也会有其他的一些现象发生）。

    现在，让霓虹灯在更高频率的交流电以及电子变压器下工作，看看有何不同。以典型的45赫兹为例，其半周期为11毫秒。在这么短的时间里，“多数”气体原子只走过1.5米左右，这比标准灯管长度要短许多。