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Braun'sche Röhre – Aufbau und Funktionsweise 09:45 min

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Transkript Braun'sche Röhre – Aufbau und Funktionsweise

Hallo und herzlich willkommen. Ich zeige dir hier, wie die Braunsche Röhre aufgebaut ist und welche Vorgänge sich in ihr abspielen. In einem zweiten Video werde ich zeigen, wie man die Bewegungen von den Ladungsträgern in der Röhre berechnet. Du solltest zum Verständnis den atomaren Aufbau von Festkörpern kennen, wissen, was ein freier Ladungsträger ist und das Verhalten geladener Teilchen im elektrischen Feld sowohl bei Bewegungen in Richtung der Feldlinien als auch senkrecht dazu kennen. Die Braunsche Röhre besteht aus einem nahezu leer gepumpten Glaskolben, der rundum verschlossen ist. An der einen Seite eher zylindrisch geformt, ist er an der anderen kegelförmig. Der Boden des Kegels ist innen mit einem Material belegt, das aufleuchtet, wenn Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf ihm aufschlagen.Diesen Effekt nutzt man gezielt aus, um Punkte Linien und Figuren auf diesen Bildschirm zu zeichnen. Man erreicht das dadurch, dass man zuerst Elektronen in dieser Röhre freisetzt, sie dann in Richtung Bildschirm beschleunigt und dann auf dem Weg dorthin gezielt auf ihre Bahnen ablenkt. Weil das Material auf dem Inneren des Bildschirms immer noch etwas nachleuchtet, nachdem ein Elektron auf es aufgetroffen ist, vor allem aber, weil unser Auge Veränderungen recht träge wahrnimmt, kann man die entstehenden Lichtpunkte als Linien und Figuren erscheinen lassen. Wenn man den Elektronenstrahl schnell und wiederholt über den Bildschirm führt und Reihen von Lichtpunkten hintereinander weg erzeugt. Die Elektronen, die man auf den Bildschirm abfeuert, setzt man am zylindrischen Ende der Braunschen Röhre mit einer Glühkatode frei. Der Name verrät, was geschieht. Hier wird etwas zum Glühen gebracht. Was aber passiert dann? Erinnere dich an das Verhalten von Gasen bei Erwärmung. Stell dir vor, man bläst an einem kalten Wintertag einen Luftballon auf und bindet ihn fest zu. Wenn man mit diesem Luftballon in die Sauna geht, dauert es nicht lange, bis er sichtbar größer wird, ohne das wir mehr Luft einblasen. Die Erwärmung bewirkt nämlich, dass die Gasmoleküle aus dem die Luft im Ballon besteht, sich intensiver bewegen. Teilchen haben ja selbst nicht so etwas wie eine Temperatur. Was wir als Hitze spüren, ist nichts anderes, als intensivere Bewegungen vieler Teilchen, also Atome und Moleküle. Die intensivere Bewegung bewirkt hier, dass sie mit größerer Kraft und größerer Häufigkeit auf die Wände des Ballons stoßen und nach außen drücken. Bei Festkörpern ist das ähnlich. Du weißt, dass feste Körper sich ausdehnen, wenn sie erwärmt werden. Auch hier bedeutet höhere Temperatur intensivere Bewegung der Teilchen. Die sind hier zwar in einem festeren Verbund als in Gasen, verschaffen sich aber doch wechselseitig mehr Platz, und so dem Körper, den sie bilden, ein größeres Volumen. Auf atomarer Ebene passiert noch etwas und das ist für uns wichtig. Die Atome des Stoffes rütteln derart hin und her, dass auch zwischen Atomkernen und den umgebenden Elektronen mehr Platz wird. Es kommt sogar vor, dass manchen Atomen das eine oder andere Elektron kurzzeitig entwischt, ehe es wieder eingefangen wird. Dadurch entstehen auf der Oberfläche unseres erhitzen Körpers, etwas wie zitternde Wölkchen von Elektronen, die immer wieder hochspringen, hin und her springen oder auch herunter sausen. Genau das liefert uns eine Glühkatode. Die einfachste Glühkatode ist also so etwas wie der glühende Draht in einer Glühlampe, auch wenn wir sie aus technischen Gründen nicht so einsetzen, aber es ist so ähnlich. Mit diesen Wölkchen aus Elektronen haben wir nun gewissermaßen Schrot für ein elektrisches Gewehr. Wir müssen sie nur in Bewegung bringen. Das gelingt natürlich am einfachsten mit einem elektrischen Feld. Man setzt dafür einfach eine positiv geladene Platte, eine Anode, in einer gewissen Entfernung vor die Katode und legt zwischen Katode und Anode eine Spannung an, und zwar so, dass die Katode den negativen, und die Anode den positiven Pol bildet. Dann haben wir nämlich ein elektrisches Feld, dass seine Kraft auf unsere herumwirbelnden  Elektronen ausübt, und sie mit wachsender Geschwindigkeit von der Katode wegzieht. Durch diese Anziehung bekommen die Elektronen einen solchen Impuls, dass sie mit großer Kraft auf die Anode aufschlagen würden, wenn wir nicht so vorausschauend wären, in die Mitte der Anode ein Loch zu bohren. Elektronen, die auf dieses Loch zu fliegen, können hindurch sausen, wie ein Ball durch die Torpfosten. Hinter der Anode haben wir kein Feld, und wenn die Elektronen schnell genug sind, werden sie von der positiv geladenen Anode, die sie ja anzieht, kaum noch gebremst. Damit von der Katode ein schöner, dünner, scharfer Strahl von Elektroden aus der Anode gezogen wird, ist bei der echten  Braunschen Röhre noch ein sogenannter Wehnelt-Zylinder zwischen beiden angeordnet. Er ist ungefähr so etwas wie eine Blechdose ohne Boden und mit einem Loch mitten im Deckel. Er ist genau konzentrisch um die Mittelachse unserer Röhre eingebaut, auf der auch das Loch der Anode liegt. Er ist gegenüber der Katode noch ein klein wenig negativer vorgespannt und stößt die Elektronen, die von der Anode längs durch ihn hindurchgezogen werden so zurecht, dass sie etwa entlang seiner Mittelachse gebündelt werden. Auf diese Weise können wir in der Braunschen Röhre einen dünnen scharfen Strahl aus Elektronen von innen auf den Bildschirm schießen. Jetzt müssen wir nur noch ein elektrisches Feld senkrecht zur Bewegung dieser Elektronen einrichten, damit wir sie ablenken können und den Strahl auf dem Bildschirm hin und her lenken, wie den Wasserstrahl aus dem Gartenschlauch. Und das machen wir natürlich einfach so, dass wir um die Bahn der Elektronen einen Plattenkondensator anordnen. Tatsächlich werden es in der Braunschen Röhre dann sogar zwei sein, die um 90 Grad zueinander versetzt sind. Denn so können wir den Elektronenstrahl nicht nur auf einer Linie hin und her schieben, sondern sogar richtige Figuren zeichnen. Wenn wir nun zum Beispiel an das erste Plattenpaar eine Spannungsquelle anschließen, die eine Spannung bereitstellt, die einen sägezahnartigen Verlauf über die Zeit hat, also immer ansteigt bis zu einem bestimmten Wert, dann auf 0 springt und wieder ansteigt usw. Dann wird es von dieser Spannung am ersten Plattenkondensator erzeugte Feld, ebenfalls einen Verlauf in der Zeit haben, der wie eine Folge von Sägezähnen aussieht. Das heißt natürlich, dass auch die Kraft in einer Richtung, wie hier in unserem Beispiel in der Senkrechten immer gleichmäßig ansteigt, dann wieder auf 0 zurückfällt, wieder ansteigt usw. Also werden die Elektronen, die durch dieses Feld senkrecht zu dem Feld hin fliegen, zunehmend zur positiven Seite hingezogen, einige der Nachfolgenden wieder nicht oder weniger, die darauf Folgenden wieder stärker und stärker, sodass die Ablenkung des Elektronenstrahls immer von der Mittelachse bis zu einem Maximum verläuft. Wenn diese Veränderung schnell genug geschieht, ergibt sich, vor allem wegen der Trägheit unseres Auges, auf dem Bildschirm eine leuchtende Linie. Wenn wir dieselbe Säbelsägezahnspannung auch an den anderen Plattenkondensator legen, der waagerecht auslenkt, dann wird ja unser Elektronenstrahl genauso schnell und genauso weit, wie er in die Höhe gelenkt wird, auch zur Seite gelenkt. Und die beiden Bewegungen zur selben Zeit ergeben dann eine schräge Linie. Und wenn sich beide Spannungen verschieden schnell verändern und vielleicht noch nicht linear, entstehen die verschiedensten Figuren auf dem Bildschirm. Die sind für Elektroniker, Physiker oder Schwachstromtechniker sehr interessant, denn die verwenden eine solche braunsche Röhre in einem sogenannten Oszilloskop. Das ist ein Gerät, mit dem man sehr gut, vor allem sehr präzise, die Verhältnisse zweier sich verschieden ändernder Spannungen zueinander darstellen kann. Das war eine kurze Darstellung des Aufbaus und der Funktionsprinzipien einer Braunschen Röhre. Ein nahezu luftleer gepumptes Glasgefäß, in dem eine Glühkatode Elektronen freisetzt, die von einer positiv geladenen Lochanode abgesaugt und beschleunigt werden. Unterwegs werden sie in einem Wehnelt-Zylinder zu einem dünnen Strahl gebündelt, die man über zwei rechtwinklig zueinander versetzten Plattenkondensatoren gezielt auf einen fluoreszierenden Bildschirm lenkt. Je nach dem zeitlichen Verlauf der Spannungen an den auslenkenden Kondensatorplatten ergeben sich Punkte, Linien und Figuren auf dem Bildschirm, die man zur Analyse der Verhältnisse zweier Spannungsgrößen ausnutzen kann. Viel Vergnügen beim Verstehen. In einem zweiten Video unter demselben Titel werde ich zeigen, wie man eine gewichtige Funktionsgröße der Braunschen Röhre berechnen kann. Bis dahin.

12 Kommentare
  1. Danke!
    Ich habe es mir nun nach sechs Jahren noch einmal angesehen und bin auch selbst ganz zufrieden. Hoffe, mir gelingt noch einiges so gut wie dieses!

    Von Kalo, vor etwa einem Jahr
  2. Sehr gut, großes Lob an dich, mach weiter so!
    :D

    Von Tom S., vor etwa einem Jahr
  3. danke, habs verstanden.

    Von Sralm, vor mehr als 5 Jahren
  4. Gut erklärt!

    Von Vaulin70, vor fast 6 Jahren
  5. yay! Ich habs endlich mal verstanden :D

    Von Viki Luvs Usa, vor fast 6 Jahren
  1. sehr gut erklärt

    Von Christoph Grünwald, vor fast 6 Jahren
  2. Don't use a TV.

    Ernsthaft: die Frage paßt besser zu Thermodynamik (Wärmelehre) - Zusammenhang von Wärmemenge, Temperaturdifferenz, spezifischer Wärmekapazität, Masse: W = Q = m*c*delta_T ...

    Von Kalo, vor fast 6 Jahren
  3. hallo :) ich hab eine frage und zwar um 5 kg Wasser mit der temperatur 14 grad celsius , sieden zu bringen . wie viel gesamt energie ist notwendig

    Von Cerenalsulu, vor fast 6 Jahren
  4. Das freut mich !
    kalo

    Von Kalo, vor fast 6 Jahren
  5. toll! jetzt habe ich es endlich verstanden!

    Von Luise 4, vor fast 6 Jahren
  6. Lieber Elvis,

    Deine Frage ist vielleicht von einem Eindruck bestimmt, den Du einmal beim Blick auf ein Oszilloskop gewonnen hast ? Das Bild einer Sinuskurve ist mit der Br.schen Röhre aber gar nicht so leicht herzustellen. Dazu muß man mehr Größen abstimmen, als ich im Video flüchtig erwähne.

    Wie ich dort andeute, hängt das Bild auf dem Schirm vom Verhältnis der beiden Spannungen zueinander ab. Wenn z. B. an den waagerecht liegenden Platten keine Spannung anliegt, an den senkrecht stehenden aber eine veränderliche, erfolgt nur Auslenkung des Elektronenstrahls nach rechts/links. Eine der Sinusfunktion ähnliche Figur kann nur entstehen, wenn etwa das senkrecht wirkende Feld (waagerechte Platten) sich zeitlich gemäß einer Sinusfunktion ändert - zugleich aber das waagerecht wirkende Feld (senkr. Platten) den Elektronenstrahl langsam von links nach rechts führt, dann den Strahl wieder nach links springen läßt und die Bewegung nach rechts wiederholt.

    Dieses Verfahren wird bei der Darstellung von sinusförmigen Spannungsverläufen auch systematisch angewandt: Oszilloskope haben als eine Grundfunktion die Einstellung 'Zeitablenkung', bei der eine linear von negativen zu positiven Werten ansteigende Spannung den Verlauf der Zeit simuliert (waagerechte Auslenkung, von links nach rechts). Sie muß, wenn der Elektronenstrahl das rechte Ende des Bildschirms erreicht hat, zurückspringen; wir finden bei ihr einen sägezahnförmigen Verlauf, bei dem die unteren Spitzen der Steuerspannung im Bereich negativer, die oberen im Bereich positiver Spannungswerte liegen (denn bei Spannung gleich Null, zwischen negativen und positiven Werten, stünde der Strahl in der Mitte des Bildschirms - also brauchen wir negative Spannung, um z. B. nach links, und dann positive, um nach rechts abzulenken).

    Das erfordert zudem
    a) eine Bewegung großer Geschwindigkeit, denn um eine geschlossene Kurve mit dem menschlichen Auge zu sehen, kann ich nur die Nachleuchtzeit nutzen, die der vom Elektronenstrahl auf einem Punkt des Schirms erzeugte Lichtfleck hat, muß also, bevor sie zu Ende ist, schnell wieder mit dem Strahl an derselben Stelle 'neu malen';
    b) eine sorgfältige Synchronisierung, wenn eine einzige Kurve zu sehen sein soll, nicht ein Gewirr von zufällig übereinanderliegenden 'Sinusstücken'. Denn man stelle sich vor, die Kurve habe links bei sin(0) begonnen und erreiche bei sin(1,5 pi) die rechte Kante des Bildschirms - wenn ich jetzt den Strahl blitzschnell nach links springen lasse, um die Fortsetzung der Kurve von links an auf den Bildschirm zu zeichnen, beginnt sie dort, links, jetzt eben bei etwa sin(1,5 pi), wo vorher bei sin(0) gezeichnet worden war. Das Resultat wäre ein ständig wechselndes Gewirr von zufällig ausgeschnittenen Stücken einer Sinuskurve. Daher muß in jeder Werkstatt der Techniker am Oszilloskop die 'Zeitablenkung' für die richtige Darstellung eines sinusförmigen Spannungsverlaufs durch Justieren erst finden. Dein Physiklehrer sollte ein Oszilloskop im Schrank haben oder wissen, wer Dir mal eins vorführen kann.

    Wenn Du eine Vorstellung von Wechselspannung, Frequenz und Phasenlage hast, können Dir vielleicht die verschiedenen Bilder unter https://de.wikipedia.org/wiki/Lissajous-Figur eine Vorstellung verschaffen, wie verschieden die Effekte in Abhängigkeit vom Verhältnis der Felder der Steuerplatten in der Braunschen Röhre ausfallen. (Dort hat man auf beiden Plattenpaaren Wechselspannung, also zwei sinusförmig sich ändernden Spannungen - aber das Bild, das erzeugt wird, ist je nach Phasendifferenz beider unterschiedlich.) Die Animation dort im oberen Teil zeigt den Effekt, der entsteht, wenn die Frequenzen der beiden Spannungen nicht gleich sind.

    Ich hoffe, ich habe Dich etwas neugierig machen können auf die reiche Wirklichkeit, die in den technischen Möglichkeiten der Elektronenröhre steckt -

    viele Grüße,
    kalo

    Von Kalo, vor mehr als 6 Jahren
  7. (07:40) Müsste der Elektronenstrahl/Leuchtpunkt bei einer solchen Sägezahnspannung nicht ein sinus-ähnliches Bild auf den Schirm werfen und keine Linie?

    Von Deleted User 59344, vor mehr als 6 Jahren
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Braun'sche Röhre – Aufbau und Funktionsweise Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Braun'sche Röhre – Aufbau und Funktionsweise kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die Namen der Bauteile einer Braun'schen Röhre an.

    Tipps

    Elektronen sind negativ geladen, genauso wie die Kathode.

    Der Wehnelt-Zylinder dient zur Fokussierung des Elektronenstrahls.

    Lösung

    Die Braun'sche Röhre ist ein trichterförmiges, evakuiertes Glasrohr und wird auch Elektronenkanone genannt. Diese Elektronenkanone besteht aus einem Heizdraht, einem Wehneltzylinder dahinter und einer einer Lochblende.

    Der Heizdraht ist an der Kathode (links) einer Hochspannungsquelle angeschlossen und die Lochblende ist mit der Anode (mitte) verbunden. Der Heizdraht ist noch an einer weiteren Spannungsquelle angeschlossen, die dazu dient, den Draht zu erhitzen. Der Zylinder schließt den Stromkreis durch eine Verbindung zu dem negativen Pol derselben Spannungsquelle. Durch das Erhitzen treten Elektronen aus der Glühkathode aus. Sie werden zur Anode hin beschleunigt und im Wehnelt-Zylinder (zweite von links) zu einem dünnen Elektronenstrahl fokussiert.

    Durch Ablenkplatten (zweite von rechts) kann die Richtung des Elektronenstahls verändert werden. Das Plattensystem besteht aus zwei Plattenpaaren: horizontal und vertikal.

    Treffen die Elektronen auf dem Leuchtschirm (rechts) auf, so erzeugen sie in einer fluoreszierenden Farbschicht einen Lichtfleck.

  • Gib die Ladung der Kathode und der Anode einer Braun'schen Röhre an.

    Tipps

    Wie sind Elektronen geladen?

    Die Anode zieht Elektronen an.

    Zwischen Anode und Kathode liegt ein elektrisches Feld.

    Lösung

    Die Glühkathode einer Braun'schen Röhre wird vom Heizfaden zum Glühen gebracht. Elektronen werden durch die Glühemission aus der Glühkathode freigesetzt. Sie erhalten durch die Temperatur so viel Energie, dass sie den Draht verlassen können. Zwischen Kathode und Anode liegt die Beschleunigungsspannung. Um eine Spannung aufbauen zu können, müssen Kathode und Anode unterschiedlich geladen sein.

    In diesem elektrischen Feld werden die Elektronen beschleunigt. Da Elektronen negative Ladungsträger sind und zur Anode hin beschleunigt werden, muss die Anode positiv geladen sein. Es gilt nämlich: Ungleiche Ladungen ziehen sich an.

    Und da Kathode und Anode unterschiedlich geladen sind, ist die Kathode negativ geladen.

  • Gib an, wie sich die Elektronen in der Braun'schen Röhre verhalten.

    Tipps

    Die Glühkathode einer Braun'schen Röhre wird vom Heizfaden zum Glühen gebracht.

    Der Wehnelt-Zylinder ist negativ oder positiv geladen und drängt die Elektronen in der Mittelachse zusammen. Dabei entsteht ein gebündelter Elektronenstrahl.

    Lösung

    Die Glühkathode einer Braun'schen Röhre wird vom Heizfaden zum Glühen gebracht. Elektronen werden durch die Glühemission aus der Glühkathode freigesetzt. Sie erhalten durch die Temperatur so viel Energie, dass sie den Draht verlassen können. Zwischen Kathode und Anode liegt die Beschleunigungsspannung. In diesem elektrischen Feld werden die Elektronen beschleunigt.

    Der Wehnelt-Zylinder ist negativ oder positiv geladen und drängt die Elektronen in der Mittelachse zusammen. Dabei entsteht ein gebündelter Elektronenstrahl. Die Anode ist durchbohrt, sodass der Elektronenstrahl durch sie hindurch treten kann. Er durchläuft dann zwei Paare von Ablenkplatten (vertikal und horizontal). Liegt an diesen Platten eine Spannung an, wird der Strahl abgelenkt. Schließlich trifft er auf eine Leuchtschicht. Somit wird der Strahl sichtbar.

  • Gib an, was auf einem Auffangbildschirm einer Braun'schen Röhre zu erkennen ist, wenn an die horizontalen Ablenkplatten eine Sägezahn-Spannung und an die vertikalen Ablenkplatten eine Wechselspannung angelegt ist.

    Tipps

    Wechselspannung nennt man eine elektrische Spannung, deren Polarität in regelmäßiger Wiederholung wechselt.

    Lösung

    Würde nur an den vertikal angeordneten Ablenkplatten (Ablenkung in $y$-Richtung) eine Wechselspannung angelegt werden, wäre das auf dem Schirm erscheinende Bild als vertikaler Strich sichtbar. Der Elektronenstrahl, welcher bei ausgeschalteten Ablenkplatten nur als Punkt sichtbar ist, würde sich nämlich nur schnell hoch und runter bewegen. Diese schnelle Bewegung würde einen Strich erzeugen.

    Wird der Elektronenstrahl zusätzlich durch die horizontalen Ablenkplatten (in $x$-Richtung) durch eine Sägezahn-Spannung abgelenkt, bewirkt dies eine Bewegung des Leuchtflecks in $x$-Richtung. Nach einer Periode der Sägezahnspannung springt der Leuchtfleck zu seinem Ausgangspunkt zurück.

    Überlagern sich diese beiden Ablenkungen, so entsteht das Bild einer sinusförmigen Kurve (siehe Bild).

  • Gib an, was man unter Glühemission versteht.

    Tipps

    Durch die Glühemission werden Elektronen freigesetzt, die im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt werden.

    Wie kann man Temperatur auf atomarer Ebene erklären?

    Lösung

    Durch die Glühemission werden Elektronen freigesetzt, die im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt werden. Nur so kann innerhalb der Braun'schen Röhre ein Strom fließen. Doch was genau passiert bei dieser Glühemission?

    Durch die Erhöhung der Temperatur eines elektrischen Leiters vergrößert sich die Schwingungsweite der Atome im Festkörper. Auch die freien Elektronen nehmen an der Bewegung teil. Einige Elektronen an der Oberfläche des Metalls erhalten eine so starke kinetische Energie, dass sie aus dem Metall austreten.

    Diesen Effekt nennt man Glühemission.

  • Gib an, wozu der Wehnelt-Zylinder einer Braun'schen Röhre dient.

    Tipps

    Der Elektronenstrahl ist hinter dem Wehnelt-Zylinder stärker fokussiert als vorher. Wie kann das sein?

    Elektronen sind negativ geladen. Wie muss der Wehnelt-Zylinder geladen sein?

    Gleiche Ladungen stoßen sich ab.

    Lösung

    In einer Braun'schen Röhre befindet sich zwischen der negativ geladenen Kathode und der positiv geladenen Anode der sogenannte Wehnelt-Zylinder. Doch welche Funktion erfüllt dieser Zylinder?

    Der Wehnelt-Zylinder ist eine zylinderförmige Elektrode zum Fokussieren von Elektronenstrahlen.

    Der Wehnelt-Zylinder wird in unmittelbarer Nähe der Kathode angebracht. Die Elektronen werden durch das negative Potential der Zylinderwand gleichmäßig von dieser abgestoßen und somit zur Strahlenachse hin gelenkt.