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Stromfluss im Vakuum 08:39 min

Textversion des Videos

Transkript Stromfluss im Vakuum

Hallo. In diesem Video geht es allgemein um den Stromfluss im Vakuum. Wir wollen uns dann genauer angucken, was eigentlich Glühemission ist, beziehungsweise der Edison-Effekt. Dann wollen wir schauen, was es für eine Anwendung findet in der Vakuumdiode. Und zum Schluss gucken wir, wie ein Fernseher funktioniert, und zwar mithilfe der Brownschen Röhre. Also los geht es mit der Glühemission, oder dem Edison-Effekt. Glühemission entsteht immer dann, wenn an einen so aufgewickelten Draht, auch Heizwendel genannt, eine Spannung angelegt wird. Das ist dann die Heizspannung und die kann zum Beispiel ungefähr 6 V betragen. Um dieses Heizwendel befindet sich ein großer Glaskolben, in dem Vakuum ist. Dieses Heizwendel erhitzt sich jetzt, denn es fließt ja Strom dadurch, und durch diese Erhitzung, treten dann Elektronen aus dem Heizwendel aus. Das liegt daran, dass ja die innere Energie in dem Metall durch den Stromfluss steigt. Das heißt, alle Teilchen bewegen sich immer schneller und irgendwann ist dann der Punkt erreicht, dass die Energie der Elektronen ausreicht, um aus dem Metall auszutreten. Den Elektronen gelingt es also, sich von den Anziehungskräften, zwischen ihnen und den Protonen, zu befreien. Und was soll jetzt mit diesen schönen, freien Elektronen passieren? Wir legen hier oben in den Glaskolben einen positiven Pol hin. Positiven Pol, das heißt, das ist eine Anode. Und hier unten ist dann dementsprechend die Kathode. Zwischen den beiden liegt dann eine Spannung an. Das ist oben der positive Pol und unten der negative. Und dann passiert Folgendes: Die ausgetretenen Elektronen werden von dem positiven Pol, von der Anode oben, angezogen. Und dann entsteht ein Stromfluss. Und dieser Stromfluss ist natürlich umso größer, je größer die Spannung zwischen der Anode und der Kathode ist. Und das kann man sehr gut in einem Diagramm darstellen, wo auf der x-Achse, also auf der Waagerechten, die Spannung aufgetragen wird, und auf der Senkrechten, der Strom. Und dann sieht man, dass sogar bei einer geringen, negativen Anodenspannung, einige Elektronen es bis zur Anode schaffen. Diejenigen, die viel Energie mitbekommen haben. Und natürlich, je größer die Anodenspannung im positiven Bereich wird, desto größer wird dann auch der Stromfluss. Aber nur bis zu einem bestimmten Punkt. Aber dazu kommen wir später noch mal. Erst mal betrachten wir den Punkt, wo die Anodenspannung 0 V beträgt. Und wir sehen, dass sogar dort schon, ein sehr kleiner Strom fließt. Und das liegt daran, wie vorhin schon angedeutet, dass hier auch die Elektronen auch schon eine gewisse Energie mit sich bringen. Den Punkt hier oben nennen wir mal Us, und das steht für die sogenannte Sättigungsspannung. Das ist nämlich der Punkt, an dem alle Elektronen, die aus dem Glühwendelchen austreten, sozusagen abgesaugt werden, von der Anode. Das heißt, der Strom kann kaum mehr größer werden. Und damit kommen wir nun zur Vakuumdiode. Was das ist, wollen wir uns jetzt mal genauer anschauen. Was passiert, wenn wir die Pole hier mal vertauschen?  Dann werden die Elektronen ja abgestoßen, vom negativen Pol. Das heißt, es fließt kein Strom mehr. Und wenn es wieder andersherum ist, also oben ist der positive Pol, dann fließen wieder viele Elektronen. Das wollen wir uns auch noch mal in einem Diagramm veranschaulichen. Und zwar in einem Diagramm, wo auf der waagerechten Achse t, die Zeit, aufgetragen wird, und auf der senkrechten Achse erst mal die Spannung, in Abhängigkeit von der Zeit. Nehmen wir mal an, wir legen eine Wechselspannung an. Dann sieht die Kurve so aus, so wie eine Sinuskurve. Und was passiert nun mit dem Strom? Wenn die Spannung positiv ist, fließt auch Strom, und zwar immer mehr, je mehr Spannung anliegt. Geht die Spannung aber ins Negative, fließt kein Strom mehr. Das haben wir ja eben gesehen. Der Strom ist null. Und ist die Spannung wieder positiv, dann fließt wieder Strom. Das heißt, es gibt einen Stromfluss, aber nur in eine Richtung. Das nennt sich dann eine Diode. Eine Diode hat nämlich eine Gleichrichterwirkung. Das heißt, durch eine Diode kann ein Strom nur in eine Richtung fließen. Und das ist sehr praktisch für den Haushalt, denn es gibt sehr viele Geräte, die keine Wechselspannung vertragen, obwohl wir diese ja aus dem Stromnetz bekommen. Denn eine Diode kann aus Wechselspannung, Gleichspannung machen. Gut, dann gucken wir mal, wo dieser Vakuumstrom noch so angewandt wird, zum Beispiel, in der Brownschen Röhre. Dazu stellen wir den Aufbau noch mal ein wenig verkleinert dar. Hier ist wieder unser Heizwendel, an dem eine Heizspannung anliegt, und dann die Elektronen austreten. Und das hier ist jetzt, in abgeänderter Form, unsere Anode. Sie sieht jetzt aus wie ein Zylinder, mit einem Loch hinten. Dann wird wieder eine Spannung zwischen das Heizwendel und die Anode angelegt, die Anodenspannung. Die Elektronen werden jetzt wieder angezogen von der Anode, beschleunigt in die Richtung, und werden aber so fokussiert, dass sie durch das Loch hindurch rasen. Und was passiert dann mit diesen wahnsinnig beschleunigten Elektronen? Sie kommen zwischen 2 geladene Platten, positiv und negativ, also zwischen ein elektrisches Feld. Beziehungsweise man nennt das auch einen Kondensator. Dort werden sie abgelenkt, und zwar hin zum positiven Pol. Klar, da werden sie angezogen und verlassen dann den Kondensator auf einem abgelenkten Weg. Und was passiert dann? Dann treffen sie auf einen Schirm. Und diesen Punkt des Schirmes bringen sie dann, mit ihrer Energie, zum Leuchten. Wie stark sie abgelenkt werden, also welchen Punkt am Schirm sie treffen, hängt von der Ablenkspannung ab. Ist diese nämlich zum Beispiel kleiner, werden sie nicht so stark angezogen, und treffen auf einen niedrigeren Punkt am Schirm. Ist die Polung umgekehrt, dann werden sie nach unten gezogen, und fliegen wieder an einen anderen Ort am Schirm. Also je nachdem, wie groß die Ablenkspannung ist, bestimmt diese den Auftreffort der Elektronen. Und diese hängt natürlich auch von der Anodenspannung ab, wie stark diese nämlich beschleunigt wurden. Und dann macht der Schirm die Elektronen sichtbar. Entweder können wir einfach das schöne Bild genießen, oder wir können damit auch Aussagen über die Größe der Ablenkspannung machen. Es gibt einige Geräte, in denen eine solche Brownsche Röhre steckt. Zum Beispiel ein Fernseher. Natürlich der alte Röhrenfernseher. Dort werden die Elektronen in alle Richtungen so abgelenkt, dass sie am Bildschirm kleine Farbpixel anregen. Die Spannung wird genau so geschaltet, dass das Elektron genau die richtige Farbe trifft. Und so sehen wird dann das farbige Bild. Ein anderes Beispiel ist das Oszilloskop. Das kann ja Spannungen, in Form von Kurven darstellen. Und das funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Je größer die Spannung, desto größer ist auch die Ablenkung, und so weiter. So können, im Gegensatz zu mechanischen Zeigern, auch Wechselspannungen dargestellt werden. Aber bei beiden Geräten reicht natürlich so ein elektrisches Feld gar nicht aus, denn das lenkt ja nur in die eine Richtung ab. Zum Beispiel in die senkrechte Richtung. Wir brauchen also noch einen zweiten Kondensator, der dahinter geschaltet wird, und zwar genau um 90° gedreht. In dem Kondensator werden dann die Elektronen auch noch in die andere Richtung abgelenkt.  Gut, das war es auch schon. Ich hoffe, euch hat mein Video über den Stromfluss im Vakuum, sowie die Glühemission, die Vakuumdiode und die Brownsche Röhre, gefallen. Bis zum nächsten Mal. Tschüss.                        

2 Kommentare
  1. Bitte in der Frage in BRAUNsche Röhre ändern, sonst ok!

    Von Bilal Baroud, vor etwa 6 Jahren
  2. Wow, gut erklärt. Bedeutet dass aber nicht auch das bei braunschen Röhren Millionen (1028 * 1028 Pixel) von Elektronen "abgeschossen" werden müssen damit ein farbiges Bild sichtbar wird?

    Von Adrian123, vor mehr als 6 Jahren

Stromfluss im Vakuum Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Stromfluss im Vakuum kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne Eigenschaften der Glühemission und dessen Nutzen.

    Tipps

    Halte dir den Aufbau der Vakuumdiode vor Augen: die Heizkathode mit Heizspannung und die Anode mit Anodenspannung in der Vakuumkammer.

    Lösung

    Also, wie funktioniert noch gleich die Vakuumdiode?

    Mit einer Heizspannung werden in der Heizkathode Elektronen gelöst. Diese Elektronen können dann mit einer positiv geladenen Anode angezogen werden, wodurch ein Strom entsteht.

    Damit die Elektronen ungehindert den Weg von Kathode zu Anode passieren können, findet alles in einer Vakuumkammer statt.

    Der maximale Strom ist nicht nur von der Anodenspannung, sondern auch von der Menge der freigesetzten Elektronen der Kathode abhängig.

    Ändert man die Polung der Anode, ist sie negativ geladen und stößt Elektronen ab. Der Strom wird null.

    Deshalb kann der Strom in einer Diode nur in eine Richtung. Damit kann man auch aus Wechselspannung Gleichspannung machen.

  • Beschreibe, was bei der Glühemission passiert.

    Tipps

    Eine Kathode ist ein „Elektronenspender".

    Eine Anode ist ein „Elektronenempfänger".

    Lösung

    Vielleicht stellst du dir die Frage: „Warum macht man das überhaupt?". Wenn man nur einen Stromfluss haben will, geht das ja schließlich auch mit einem normalen Kupferkabel.

    Die Antwort darauf ist z.B. die Brown'sche Röhre, also z.B: Röhrenbildschirme.

    Dort ist die Glühemission insofern wichtig, als dass man einen Elektronenstrahl erzeugen will.

    Dazu wird an der Kathode eine Spannung angelegt, durch welche sie sich aufheizt und sich deren Elektronen lösen. Stellt man darüber hinaus noch eine Anode auf, werden die negativ geladenen Elektronen von der positiv geladenen Anode angezogen und beschleunigt.

    Dann entsteht zwischen Kathode und Anode ein Strom. Man kann die Anode aber auch nur zum Beschleunigen verwenden. Dann erzeugt man einen Elektronenstrahl.

  • Berechne die Wellenlenge der Emission der Frank-Hertz-Röhre.

    Tipps

    Wenn ein Elektron mit einem Atom zusammenstößt, kann das Elektron seine Energie an das Atom abgeben. Bei bestimmter Energie wird ein Elektron des Atoms auf ein höheres Energieniveau gehoben. Dieses Elektron springt allerdings sofort zurück und gibt die erhaltene Energie als Photon ab.

    Das emittierte Photon hat die gleiche Energie wie das Elektron, vorausgesetzt, das Elektron hat seine gesamte Energie abgegeben.

    Lösung

    Bei der Frank-Hertz-Röhre kann man mit einem Elektronenstrom eine vom Atom abhängige Lichtfrequenz erzeugen. Dadurch erfährt man etwas über die Energieniveaus der Elemente, kann spezifische Frequenzen erzeugen und das Stoßverhalten von Teilchen untersuchen.

    Die kinetische Energie der Elektronen wird berechnet durch die Beschleunigungsspannung mal der Elementarladung $e$:

    $E_{kin}=e\cdot U_B=1,602\cdot 10^{-19}~\text{C}\cdot 19~\text{V}=3,04\cdot 10^{-18}~\text{J}$.

    Nun ist die Energie eines Photons $E=h\cdot f$. Wird nun gerade die gesamte Energie der Elektronen absorbiert, hat das emittierte Photon die gleiche Energie wie die Elektronen.

    Also ist:

    $E=3,04\cdot 10^{-18}~\text{J}=h\cdot f$.

    Wobei $h$ das Planck'sche Wirkungsquantum($h=6,626 · 10^ {-34}~\text{Js}$) ist.

    Setzt man das nun ein und stellt nach der Frequenz $f$ um, ergibt sich:

    $f=\dfrac{3,04\cdot 10^{-18}~\text{J}}{h}=4,59\cdot 10^{15}~\text{Hz}$.

    Nun ist $f=\dfrac{c}{\lambda}$, wobei $c=3\cdot 10^8~\dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ die Lichtgeschwindigkeit ist.

    Daraus folgt, dass die Wellenlänge $\lambda=\dfrac{c}{f}$ ist.

    $\lambda=\dfrac{3\cdot 10^8~\dfrac{\text{m}}{\text{s}}}{4,59\cdot 10^{15}~\text{Hz}}=6,54\cdot 10^{-8}~\text{m}=65,36~\text{nm}$.

    Das emittierte Spektrum entspricht also dem Wellenlängenbereich der Röntgenstrahlung.

  • Beschreibe das U-I Diagramm der Glühemission.

    Tipps

    Elektronen werden auch ohne Anode schon (zumindest) gelöst.

    Lösung

    Wie verhält sich nun Anodenspannung zum Strom, also zu den Elektronen, die zur Anode gezogen werden?

    Erhöhen wir mal schrittweise die Anodenspannung.

    $U_A=0$: Die in der Kathode gelösten Elektronen erreichen eher zufällig die Anode.

    $U_A>0$: Allmählich wirkt die Anziehung der Anode auf immer mehr Elektronen.

    $U_A$ ist maximal: Alle gelösten Elektronen werden von der Anode angezogen und absorbiert. Über diesen Punkt hinaus gibt es keine Elektronen mehr die (pro Zeit) absorbiert werden können. Der Strom ist also maximal. $U_A$ heißt dann $U_S$.

  • Erkläre, wie Dioden und Gleichrichter funktionieren.

    Tipps

    Die Anodenspannung erhöht nur bis zur Sättigungsspannung $U_S$ den Strom.

    Lösung

    Die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom wird bei nahezu jedem Haushaltsgerät benötigt, da sie alle mit Gleichstrom betrieben werden.

    Da die Polung beim Wechselstrom immer wechselt, filtert man sozusagen nur eine Polung heraus und „blockiert" die andere.

    Die Vakuumdiode funktioniert nur, wenn die Anode positiv geladen ist und Elektronen anzieht. Sobald sie negativ geladen ist, stößt sie die gelösten Elektronen ab und verhindert einen Strom.

    Das Ergebnis ist dann Gleichstrom.

    Will man den maximal möglichen Anodenstrom erhöhen, muss man der Anode mehr Elektronen zur Verfügung stellen. Das geht, indem man die Heizspannung erhöht. Dann werden mehr Elektronen in der Kathode gelöst.

  • Berechne die kinetische Energie eines beschleunigten Elektrons.

    Tipps

    „MV" sind Mega Volt, also hier 30 Millionen Volt.

    „pJ" sind Pico Joule, also $10^{-12}~\text{J}$.

    $e=1,602\cdot 10^{-19}C$

    Lösung

    Mit der Anodenspannung, auch Beschleunigungsspannung genannt, kann man die Energie der einzelnen Elektronen und deren Kraft in Joule berechnen.

    Elektronenvolt ist die Energie pro Elektron.

    Durch die Einheitenkürzel wird die Rechnung denkbar einfach:

    $E_{kin}=e\cdot U[\text{V}]=~\text{J}$.

    Also die Elementarladung $e=1,602\cdot 10^{-19}C$ mal der gegebenen Spannung.

    $E_{kin}=1,6\cdot 10^{-19}C\cdot 30~\text{MV}=4,8\cdot 10^{-12}~\text{J}=4,8~\text{pJ}$.

    (Tipp: $e$ sollte man allgemein mit möglichst vielen Nachkommastellen benutzen.)

    Das ist dann auch schon die kinetische Energie für ein Elektron, das durch eine Anodenspannung beschleunigt wurde.