15 Juni 2014

HIKAYAT ILMIAH LAMPU NEON (Bagian I)

Ads by Google


Beberapa waktu yang lalu, telah kuceritakan hikayat tentang lampu pijar. Jika Anda belum membacanya silakan baca disini. Pada artikel tersebut, telah kujanjikan untuk menceritakan jenis lain dari lampu selain lampu pijar, yaitu lampu neon. Lama janji itu tak kupenuhi. Dan kali ini saya ingin membayarnya lunas dengan menceritakan hikayat ilmiah sang lampu neon.

Sebuah lampu neon dibuat dari sebuah tabung kaca yang tertutup rapat. Tabung ini diisi dengan raksa dan sebuah gas inersia, biasanya argon, yang dijaga pada tekanan rendah. Selain itu, tabung kaca ini juga diisi dengan bubuk fosfor, yang dilapiskan sepanjang bagian dalam tabung. Pada tabung ini terdapat dua elektrode pada masing-masing ujungnya yang dihubungkan dengan sebuah rangkaian listrik. Rangkaian listrik ini kemudian dihubungkan ke sebuah sumber arus bolak-balik AC.

Bagaimana lampu neon ini bekerja menerangi malam-malam kita?

Saat Anda menekan saklar untuk menyalakan Sang lampu neon, arus listrik akan mengalir melalui sebuah rangkaian listrik ke elektrode-elektrode lampu. Di antara kedua elektrode ini terdapat beda tegangan yang cukup untuk membuat elektron dapat berpindah dari salah satu ujung tabung ke ujung tabung yang lain melalui gas yang mengisi tabung. Energi ini mengubah beberapa atom raksa yang terdapat dalam tabung dari bentuk cairan menjadi bentuk gas. Saat elektron dan atom-atom yang bermuatan bergerak melalui tabung, beberapa di antaranya akan saling bertumbukan dengan atom-atom raksa yang berbentuk gas. Tumbukan ini akan mengakibatkan atom-atom mengalami eksitasi, menyebabkan elektron melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi, dan saat elektron kembali pada keadaan awalnya, maka akan dilepaskan foton.

Anda semua tahu bahwa panjang gelombang sebuah foton yang terpancar ditentukan oleh susunan tertentu elektron-elektron dalam atom tersebut. Elektron-elektron dalam atom-atom raksa tersusun sedemikian rupa sehingga hampir semua foton yang dilepaskannya memiliki panjang gelombang yang berada dalam rentang panjang gelombang ultraviolet. Mata kita tidak dapat melihat foton jenis ini, sehingga cahaya dari foton ini harus dikonversi ke dalam foton cahaya tampak agar lampu terlihat menyala.

Ads by Google
Inilah fungsi bubuk fosfor yang melapisi bagian dalam tabung. Fosfor merupakan zat yang dapat memancarkan cahaya saat disinari cahaya. Saat sebuah foton menumbuk sebuah atom fosfor, satu dari elektron fosfor akan melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi dan atom fosfor akan panas. Pada saat elektron tersebut kembali ke keadaan asalnya, maka akan dilepaskan energi dalam bentuk foton yang lain yang berbeda dengan foton yang menumbuk atom fosfor tadi. Foton baru ini memiliki energi yang lebih rendah dibandingkan dengan foton mula-mula, karena sejumlah energi foton awal tersebut terserap menjadi panas. Dalam lampu neon, cahaya yang dipancarkan berada dalam spektrum cahaya tampak –fosfor memancarkan cahaya putih yang dapat kita lihat. Pembuat lampu dapat memvariasikan warna cahaya dari lampu neon dengan menggunakan kombinasi fosfor yang berbeda-beda.

Bohlam lampu pijar juga sebenarnya memancarkan cukup banyak cahaya ultraviolet, tetapi pada jenis bohlam lampu ini cahaya ultraviolet ini tidak dikonversi menjadi cahaya tampak. Akibatnya sejumlah energi yang digunakan pada lampu pijar terbuang percuma. Sedangkan lampu neon mengonversi cahaya tak tampak mata ini menjadi foton cahaya tampak, sehingga lebih efisien. Lampu pijar juga banyak kehilangan energi melalui emisi panas dibandingkan dengan lampu neon. Namun demikian, masyarakat umumnya lebih banyak menggunakan jenis lampu pijar karena pancaran sinarnya yang lebih “hangat” yaitu sinar dengan warna agak kemerahan dengan campuran cahaya warna biru.

Keseluruhan sistem lampu neon bergantung pada arus listrik yang mengalir melalui gas mengisi tabung. Pada bagian berikut ini kita akan mengulas apa yang dibutuhkan oleh lampu neon untuk membangkitkan arus yang diperlukan ini.

Sebagaimana telah diuraikan sebelumnya bahwa atom-atom raksa yang terdapat dalam tabung lampu neon dieksitasi oleh elektron-elektron yang mengalir dalam sebuah arus listrik. Arus listrik ini hampir sama dengan arus yang mengalir pada sebuah kawat biasa, tetapi dalam hal lampu neon ini arus listrik mengalir melalui gas. Konduktor gas memiliki sejumlah perbedaan dengan konduktor logam.

Pada konduktor logam, muatan listrik terbawa oleh elektron bebas yang “melompat-lompat” dari atom ke atom, dari daerah yang bermuatan lebih negatif ke daerah yang bermuatan lebih positif. Seperti yang telah kita ketahui, elektron selalu memiliki muatan negatif, yang berarti bahwa elektron ini selalu mengalir ke arah muatan positif. Dalam gas, muatan listrik dibawa oleh elektron bebas yang bergerak secara bebas di dalam atom-atom. Arus listrik juga dibawa oleh ion-ion yaitu atom yang memiliki muatan listrik karena kehilangan atau menerima tambahan elektron. Seperti halnya elektron, ion-ion ini juga bergerak ke arah daerah bermuatan berlawanan dengan muatan ion tersebut.

Untuk dapat mengalirkan arus di dalam tabung yang berisi gas, maka cahaya dalam lampu neon harus memenuhi dua hal berikut:
  1. Elektron-elektron bebas dan ion-ion
  2. Perbedaan muatan antara dua ujung tabung lampu neon (beda potensial)

Umumnya, terdapat sedikit sekali ion-ion dan elektron bebas dalam sebuah gas, karena semua atom-atom normalnya selalu mempertahankan sebuah muatan yang netral. Akibatnya, sulit untuk mengalirkan arus listrik melalui gas. Ketika Anda menyalakan lampu neon, hal pertama yang perlu dilakukan adalah “mengenalkan” sejumlah besar elektron-elektron bebas yang baru dari kedua elektrode.

Desain lampu neon klasik menggunakan sebuah mekanisme switch starter spesial  untuk menyalakan tabung. Kita dapat melihatnya dalam diagram berikut.

Saat lampu pertama kali menyala, jalur arus dengan hambatan terkecil adalah melalui rangkaian pintas, dan jalur ini melalui starter. Dalam jalur rangkaian ini, arus mengalir melalui elektrode pada kedua ujung tabung. Elektrode ini terdiri atas filamen seperti yang terdapat pada lampu pijar. Saat arus mengalir melalui rangkaian pintas, arus listrik memanaskan filamen. Hal ini memanaskan elektron dari permukaan logam, mengirimnya ke dalam tabung gas, dan mengionisasi gas.

Pada saat yang sama, arus listrik memulai sebuah bagian peristiwa yang menarik dalam saklar starter. Starter yang biasa terdiri atas tabung kecil yang dihampakan, yang mengandung neon atau jenis gas yang lain. Tabung starter ini memiliki dua elektrode yang ditempatkan tepat berdampingan satu sama lain. Pada saat arus listrik mula-mula melalui rangkaian pintas, sebuah percikan listrik (biasanya berupa aliran partikel bermuatan) melompat antara elektrode-elektrode ini untuk melakukan kontak. Percikan ini menyalakan starter dengan cara yang sama dengan percikan yang menyalakan lampu neon.

Satu dari elektrode dalam starter ini adalah sebuah lempeng bimetal yang akan melengkung jika mengalami pemanasan. Panas yang berasal dari nyala tabung akan menyebabkan lempeng bimetal ini melengkung sehingga bersentuhan dengan elektrode yang lain. Pada saat kedua elektrode ini bersentuhan, maka loncatan arus listrik tidak terjadi lagi. Akibatnya, tidak terdapat lagi muatan listrik yang mengalir melalui gas, dan nyala lampu menjadi padam. Tanpa adanya panas yang berasal dari cahaya ini, lempeng bimetal mendingin, sehingga kembali ke bentuk asalnya dan persambungan dengan elektrode yang satu menjadi terputus. Rangkaian kemudian terputus.

Saat hal ini terjadi, filamen telah mengionisasi gas dalam tabung neon, sehingga menghasilkan medium yang bersifat konduktif. Tabung neon hanya membutuhkan lucutan tegangan di antara anoda-katoda untuk menghasilkan pijaran listrik. “Tendangan” tegangan ini diberikan oleh trafo yang terdapat dalam badan lampu neon.

Ketika arus mengalir melalui rangkaian pintas, maka arus listrik ini akan menghasilkan sebuah medan magnetik dalam trafo. Medan magnetik ini ditimbulkan dan dipertahankan oleh adanya arus listrik. Saat saklar starter terbuka, arus langsung terputus dari trafo. Medan magnetik lenyap, yang menghasilkan loncatan listrik yang tiba-tiba. Ini berarti trafo melepaskan energi yang tersimpan di dalamnya.

Lonjakan arus ini membantu menciptakan tegangan awal yang diperlukan untuk menghasilkan pijaran listrik dalam gas. Arus listrik yang terjadi kemudian mengalir melalui tabung neon. Elektron-elektron bebas bertumbukan dengan atom-atom, menyebabkan atom-atom tersebut kehilangan elektron yang lain, yang menciptakan ion-ion. Hasilnya adalah plasma, yaitu sebuah gas yang terdiri atas sejumlah besar ion-ion dan elektron bebas, yang semuanya bergerak secara bebas. Plasma ini menciptakan “jalan tol” untuk arus listrik. Efek dari elektron-elektron yang melayang-layang ini menjaga kedua filamen tetap panas, sehingga terus memancarkan elektron-elektron baru ke dalam plasma. Selama masih tersedia arus AC, filamen ini tidak akan dingin, dan arus akan terus mengalir melalui tabung lampu.

Demikianlah kisah cara kerja lampu neon ini. Ada satu masalah yang sedikit mengganggu pada lampu jenis ini, yaitu diperlukan waktu selama beberapa detik sebelum menyala konstan. Itulah yang sering kita lihat ketika pertama kali menekan saklar untuk menyalakan lampu neon. Terdapat kedipan-kedipan sebelum lampu tersebut menyala dengan baik. Dewasa ini, lampu neon telah didesain agar tidak membutuhkan waktu yang lama untuk menyala. Kelak kita akan mengulas desain jenis lampu neon baru ini. Tetaplah berkunjung ke laman ini!

(Sumber: www.howstuffwork.com)

2 komentar :