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Wird eine hohe Spannung zwischen dem Metallgitter vorne (Anode) und einer Zahl (der Kathode) angelegt, ionisiert Neongas um die Kathode. Dies führt zum Leuchten der Zahl mit dem charakteristischen Orange.
Obwohl die Spannung recht hoch ist, ist die fliessende Strommenge sehr klein. Daher verbrauchen die Uhren nur wenig Leistung und erzeugen fast keine Wärme. Die Röhren werden nicht heiss und fühlen sich nur warm an. Es handelt sich um ein leuchten und nicht um ein Glühen.
Die häufigste Röhre hat zehn Kathoden für die Zahlen 0 bis 9. Beobachtet man Nixie Röhren genau, sieht man, dass die aus Blech gefertigten Zahlen hintereinander angeordnet sind.
Nur die Zahl, die unter unter Spannung gesetzt wird, leuchtet. Die übrigen Zahlen bleiben kaum sichtbar.
Weil es sich um ein Leuchten und nicht um ein Glühen handelt, nutzen sich Nixie Röhren nicht ab. Über die Lebensdauer von Nixieröhren gibt es keine gesicherten Angaben. Sie dürfte einige Jahrzehnte betragen.
Nixieröhren haben keine Dichtungen. Die Anschlussdrähte sind in das Glas eingeschmolzen und entsprechend dicht. Das enthaltene Neon kann nicht entweichen.