Edison-Effekt
Der Edison-Effekt, auch Edison-Richardson-Effekt oder glühelektrischer Effekt genannt, bezeichnet die Emission (Aussendung) von Elektronen aus einer geheizten Kathode im Vakuum hin zur Anode. Der Effekt wurde erstmals 1883 von Thomas Alva Edison erkannt.
Anwendungen
Die Elektronenröhre ist ein hochevakuiertes Gefäß (meist aus Glas, auch aus Keramik oder Metall), in dem zwischen Kathode und Anode ein Strom fließt, der durch dazwischenliegende Gitter gesteuert werden kann:
- Diode zur Gleichrichtung oder Demodulation
- Triode zur Verstärkung, Modulation oder Mischung
- Hexode zur Mischung von elektrischen Spannungen, Strömen oder Leistungen
Bei der Elektronenstrahlerwärmung wird die kinetische Energie des freien Elektronenstrahls in Wärme umgewandelt:
- Elektronenstrahlschmelzen, besonders für hochschmelzende Metalle (z.B. Wolfram, Titan)
- Elektronenstrahlschweißen und -bearbeitung wie Schneiden, Bohren, Fräsen, Härten
Die Elektronenstrahlröhre (Braunsche Röhre) ist ein Elektronstrahlerzeuger mit Ablenksystem und Leuchtschirm. Sie wird auch als Bildröhre bezeichnet und kommt in Fernsehern, Computerbildschirmen und Oszilloskopen zum Einsatz.
Die Mikroröhre ist eine Alternative zum Mikrochip mit 60 mal höherer Schaltgeschwindigkeit.
Physikalischer Hintergrund
Den Leitungselektronen eines metallischen Leiters kann bei Raumtemperatur eine thermische (kinetische) Energie von etwa 0,04 eV zugeschrieben werden. Damit liegt die Energie weit unter der für einen Austritt aus der Metalloberfläche benötigten Austrittsarbeit von grob 4 eV. Wird das Metall stark erhitzt (Glühkathode einer Röhre), reicht die durchschnittliche Energie nach wie vor für einen Austritt bei weitem nicht aus. Für die nun sehr hohen Geschwindigkeiten der Leitungselektronen kann aber die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung (wie für die Atome eines idealen Gases) angenommen werden. Ein gewisser Anteil der Leitungselektronen weist demnach eine hinreichende Geschwindigkeit zum Verlassen des Metalls auf. Diese Elektronen können an der Auffangplatte einer Edisonröhre nachgewiesen werden. Dieser Nachweis ist natürlich auch mit einer normalen Röhrendiode oder -triode möglich, doch die Bauweise der Edisonröhre lässt einen klaren Blick auf die räumlichen Verhältnisse und das Glühen der Kathodenwendel zu. In der Sek. I ist dieser Versuch zur Hinführung zu den Leitungsverhältnissen in Metallen sehr hilfreich, in der Sek. II kann dann über Geschwindigkeitsverteilungen bis hin zum Geschwindigkeitsfilter für Elektronenstrahlen gesprochen werden. Üblicherweise wird das Übertreten von negativen Ladungsträgern von der Glühkathode zur Auffangplatte durch die Entladung eines positiv geladenen Elektroskops nachgewiesen. Dabei spielen dann die bekannten Elektrostatikversuchsprobleme wie hohe Luftfeuchtigkeit, Kriechströme, geladener Experimentator etc. eine Rolle. Der Einsatz einer Glimmröhre in Reihe mit der Edisonröhre und einem Hochspannungsnetzgerät bringt bei abgedunkeltem Raum zwar mit Sicherheit die gewünschten Beobachtungen, ist wegen der hohen Spannung jedoch für Schülerübungen ungeeignet. Eine dritte Möglichkeit ist der Anschluss eines Voltmeters zwischen Glühkathode und Auffangplatte. Dass an der Auffangplatte eine negative Spannung anliegt, ist leicht nachzuweisen. Doch die ermittelte Höhe dieser Spannung hängt sehr vom Eingangswiderstand des Messgeräts ab. An einer Edison-Röhre mit der Nennspannung 4 Volt wurden bei 3,55 Volt ( 3 Zellen eines großen NC-Akkus) folgende Spannungen gegenüber der Glühkathode gemessen: analoges Multimeter mit 200 kW Eingangswiderstand: - 2,8 Volt digitales Multimeter mit 10 MW Eingangswiderstand: - 4,3 Volt QUICK-MV-1 mit min. 1011W Eingangswiderstand: - 5,5 Volt (*) Will man also aus der Spannungsmessung Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit der schnellsten Elektronen ziehen, ist ein sehr hochohmiger Messverstärker unerlässlich. Der Einsatz des QUICK-MV-1 bietet einen weiteren Vorteil: Schaltet man auf Ladungsmessung, dann muss der interne Messkondensator von dem Röhrenelektronenfluss aufgeladen werden. Dies geschieht ausreichend langsam, um von der Bewegung des Zeigers eines Anzeigevoltmeters auf den Spannungsverlauf in Form einer Sättigungskurve zurückschließen zu können. Dieser Schluss kann von Schülern durchgeführt und interpretiert werden. Wenn Schüler in kleinen Gruppen die Möglichkeit haben, das langsame Erreichen der Maximalspannung an einem Zeigerinstrument selbst zu beobachten, besteht die Chance, diese sinnliche Wahrnehmung mit der rationalen Überlegung „ jetzt erreichen die schnellsten Elektronen gerade noch die Auffangplatte“ zu verknüpfen und damit einen emotionalen Zugang zur unsichtbaren Welt der atomaren Teilchen zu schaffen. Eine Aufzeichnung des Ladevorgangs mit einem t-y-Schreiber kann das Experiment ergänzen, wobei die Forderung nach einem derartigen Gerät von den Schülern selbst entwickelt werden kann.Der Versuch kann zu einer Versuchsreihe erweitert werden, indem man die Spannung in Abhängigkeit vom Heizstrom ermittelt. Eine genaue Auswertung setzt jedoch eine Temperaturmessung der Heizwendel voraus und geht über das schulische Niveau hinaus.(*) Der nominelle Eingangsspannungsbereich des QUICK-MV-1 geht nur bis ±5 Volt. Bei frischen Batterien sind jedoch ohne weiteres bis zu ±7 Volt möglich.