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.