Leitung im Vakuum
Im Vakuum erfolgt nur dann ein elektrischer Leitungsvorgang, wenn durch Emission frei bewegliche (wanderungsfähige) Elektronen in den betreffenden Raum eingebracht werden. Das kann durch Glühemission oder durch Fotoemission geschehen. Beim Anlegen einer Spannung und damit beim Vorhandensein eines elektrischen Feldes bewegen sich die Elektronen gerichtet und weitgehend ungehindert. Sie erreichen damit relativ hohe Geschwindigkeiten.
Unter einem Vakuum versteht man einen luftverdünnten Raum, wobei wir davon ausgehen, dass wir nachfolgend Vorgänge in einem solchen Vakuum betrachten, in dem der Einfluss des Restgases vernachlässigbar ist. Das ist in Elektronenröhren (Röhrendiode, Röhrentriode, Vakuumfotozelle, Elektronenstrahlröhre) der Fall. Wie in Stoffen kommt ein elektrischer Leitungsvorgang in einem solchen Vakuum nur zustande, wenn die folgenden zwei Voraussetzungen erfüll sind:
| Es müssen frei bewegliche (wanderungsfähige) Ladungsträger vorhanden sein: Im Vakuum handelt es sich um Elektronen, die in unterschiedlicher Weise erzeugt werden können. |
| Es muss im betreffenden Raumbereich ein elektrisches Feld existieren: Das wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei Elektroden, der Anode und der Katode, erreicht. |
Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges im Vakuum ist dadurch gekennzeichnet, dass
| sich Elektronen im Gas entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes weitgehend geradlinig beschleunigt bewegen; die Endgeschwindigkeit ist dabei nur von der angelegten Spannung abhängig; |
| die gerichtete Bewegung der Elektronen nicht behindert wird. Beim Auftreffen auf die Anode oder auf einen Schirm wird ihre Energie in Form von Wärme und Licht abgegeben. |
Glühemission und Fotoemission
Elektronen können durch zwei Vorgänge für den elektrischen Leitungsvorgang bereitgestellt werden:
| (1) | 1883 entdeckte der amerikanische Erfinder und Forscher THOMAS ALVA EDISON den glühelektrischen Effekt, d.h. die Erscheinung, das Elektronen aus glühenden Metalloberflächen austreten. Diese Glühemission wird genutzt, um mithilfe von Glühkatoden freie Elektronen zu erzeugen (Bild 2). Diese Möglichkeit wird vor allem in Elektronenstrahlröhren und Röntgenröhren genutzt. |
| (2) | 1888 wurde von WILHELM HALLWACHS (1859-1922) entdeckt, dass aus einer Zinkplatte bei Bestrahlung von UV-Licht Elektronen emittiert werden. Das gilt auch für andere Oberflächen. Die Fotoemission (man spricht auch vom äußeren lichtelektrischen Effekt, vom äußeren Fotoeffekt, vom Hallwachs-Effekt) ist damit die zweite Möglichkeit, Elektronen für einen Leitungsvorgang im Vakuum zu erzeugen. Fotokatoden nutzt man z.B. bei Fotozellen. |
Bewegung von Elektronen im Vakuum
Durch das elektrische Feld zwischen Katode (Glühkatode, Fotokatode) und Anode werden die freien Elektronen entgegen der Richtung des elektrischen Feldes beschleunigt. Dabei wird Feldenergie in kinetische Energie der Elektronen umgewandelt. Geht man davon aus, dass die Elektronen unmittelbar nach Austritt aus der Katode die Geschwindigkeit null haben, dann gilt:
Man kann leicht abschätzen, dass sich schon bei einer Beschleunigungsspannung von 1 V zwischen Katode und Anode eine Geschwindigkeit von etwa ergibt. Bei Elektronenstrahlröhren wird mit Beschleunigungsspannungen von etwa 15 kV gearbeitet, bei Röntgenröhren mit Spannungen zwischen 50 kV und 200 kV.
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Glühemission und Fotoemission
Eine wichtige Anwendung - die Elektronenstrahlröhre
Elektronenstrahlröhren werden vor allem als Fernsehbildröhren oder als Röhren in Oszillografen verwendet. Bei Fernsehbildröhren wird der Elektronenstrahl durch magnetische Felder abgelenkt. Den Aufbau einer solchen Röhre zeigt Bild 3.
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Aufbau einer Elektronenstrahlröhre mit magnetischer Ablenkung
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