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Anwendung des Ablenkkondensators Braunsche Röhre Der Ablenkkondensator wird vor allem im Oszilloskop benutzt. Dieses Oszilloskop besitzt zusätzlich eine Vorrichtung zur Erzeugung der Elektronen, die dann anschließend beschleunigt und abgelenkt wer- den. Ein evakuierter Glaskörper, der eine Einrichtung zur Erzeugung von Elektronen und eine Ablenkvorrichtung für diese Elektronen besitzt, wird nach seinem Erfinder Braunsche Röhre genannt. Die Röhre wurde von Ferdinand Braun Ende des 19. Jhd. erfunden und findet vor allem im Oszilloskop als auch als Bildröhre in alten Fernsehern ihre Anwendung.
Elektronenkanone In einer „Elektronenkanone“ findet die Erzeugung der Elektronen und deren Beschleunigung statt. Der Aufbau einer Elektronenkanone wird zunächst an einer Abbildung erläutert.
Abb. 1:
Quelle: https://virtuelle-experimente.de/index.php Man erkennt zunächst eine Glasröhre (braun), in der sich der ganze Aufbau befindet. Diese Glasröhre besitzt ein Vakuum, damit die Be- wegung der erzeugten Elektronen nicht durch Streuung an Luftmole- külen gestört wird. Die Erzeugung der freien Elektronen im Vakuum geschieht durch die Glühwendel. Durch die Erwärmung der Wendel wird so viel Energie zugeführt, dass die „freien“ Elektronen aus dem Metall austreten können und als Elektronenwolke die Glühwendel umgeben. Man spricht von der Glühemission (Extra-Kapitel hier). Der Wehneltzylinder ist negativ geladen, so dass die negativen Elek- tronen aufgrund der Abstoßung in der Mitte des Zylinders fokussiert werden. Außerdem kann man mit dem Wehneltzylinder die „Stärke“ des Elektronenstrahls verändern. Wenn eine geringe Spannung an- liegt, können viele Elektronen den Wehneltzylinder verlassen. Bei großer Spannung sind es nur wenige. Je höher die Wehneltspannung ist, desto „dünner“ wird der Elektronenstrahl. Bei sehr hohen Span- nungen wird der Elektronenaustritt verhindert. Damit die Elektronen überhaupt aus dem Wehneltzylinder durch die Öffnung austreten, wird an eine Metallscheibe, die Lochanode, eine hohe positive Spannung angelegt. Der Aufbau ähnelt jetzt sehr einem Beschleunigungskondensators, der aus der negativen Platte des Wehneltzylinders und der positiven Platte der Lochanode besteht. Innerhalb des elektrischen Feldes zwischen Wehneltzylinder und Lochanode findet die Beschleunigung der Elektronen statt, die dann wegen der Fokussierung und der
Symmetrie der Anode als Elektro- nenstrahl durch das Loch der Anode die Elektronenkanone verlassen und rechts auf einem Leuchtschirm auftreffen, auf dem die Elektronen einen Lichtfleck hinterlassen. Auf dem Leuchtschirm wird die kine- tische Energie der Elektronen durch die Abbremsung in „Lichtenergie“ umgewandelt. Hinweis:
Die Beschleunigung ist hier vereinfacht dargestellt. Eigentlich greift das
E-Feld durch die Wehneltzylinderöffnung auf die Elektronenwolke zu. In dieser Abbildung
(Querschnitt) von Wikipedia wird
dies deutlicher.
Abb. 2: Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wehneltzylinder#/media/Datei:Elektronenkanone_mit_Wehneltzylinder.svg
Oszilloskop Zum Beschleunigungskondensator der Elektronenkanone kommen im Oszilloskop noch zwei Ablenkkondensatoren hinzu, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind (s. Abb.)
Abb.3:
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Oszilloskop#/media/Datei:Oszilloskopschema.PNG Diese Abbildung ist nur recht grob. Eine etwas ausführlichere Abbil- dung sieht man im Folgenden.
Abb.4: Man erkennt, dass das Strahlensystem in der technischen Ausreifung eigentlich deutlich komplexer ist als in der Abb.3. In der nächsten Abbildung sieht man noch einmal die technische Aus- arbeitung des Strahlensystems in der Realität. Abb.
5: Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/40/D13-27_GH_%CC%A0_T_Oscilloscope_CRT_11.jpg Auch die Ablenkplatten sehen in der technischen Ausführung eher wie „Sprachrohre“ aus. Hier ein paar Beispiele.
Abb.6: Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/29/%D0%A4%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0_%D0%BF%D0%BB%D0%
B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BD_%D0%AD%D0%9B%D0%A2.svg Messungen mit dem
Oszilloskop Das Oszilloskop
ist als Messgerät für schnell sich ändernde Span-nungsverläufe
gedacht. Hierzu schauen wir uns zunächst einmal den Spannungsverlauf
bei den horizontalen Ablenkplatten an. Dies ist der Ablenkkondensator,
der in den Abbildungen 3. und 4. näher am Leuchtschirm
liegt. Man könnte sie x-Platten nennen, weil sie in einem Koordinatensystem
der x-Achse entsprechen. Daneben
gibt es die y-Platten, die für die vertikale Ablenkung sorgen. Diese
liegen horizontal (s.Abb.)
Abb. 7 Zunächst
also zu den x-Platten. Folgende Abbildung zeigt den Span- nungsverlauf
an den Platten und die Auswirkungen auf den Elektro- nenstrahl
bzw. den Leuchtpunkt auf dem Schirm.
Abb.8 Erläuterung:
eine der Platten ist geerdet, nur die andere Platte wird ge- laden.
Es wird eine sogenannte Sägezahnspannung angelegt, d.h. die
Spannung steigt zunächst linear vom negativen Maximalwert auf einen
positiven Maximalwert. Vom positiven Maximalwert fällt sie dann in einem
sehr kurzen Zeitraum (hier idealisiert t = 0 s) wieder auf den negativen Anfangswert. Das Ganze
wiederholt sich dann. Bei „1“
ist die rechte Platte also maximal negativ geladen. Da die Elektronen
ebenfalls negativ sind, befinden sie sich also extrem weit links.
Der Punkt wandert dann ganz gleichförmig von links nach rechts. Beim
rapiden Abfall wird der Wehneltzylinder stark
negativ geladen, so dass
keine Elektronen mehr austreten und die Wanderung des Leuchtpunktes
erst bei „1“ wieder von links nach rechts erfolgen kann. Wie sieht es jetzt an der y-Platte aus. Wir gehen einmal von einer Sinusspannung aus.
Abb.9 Es sind wieder Zahlen eingetragen, die der gleichen Zeit entsprechen. Bei „1“, „3“ und „5“ liegt keine Spannung an, so dass die obere Platte wie die untere Platte neutral ist. Der Elektronenstrahl trifft in der Mitte des Leuchtschirms auf. Bei „2“ haben wir die maximale positive, bei „4“ die maximale negative Ladung, so dass sich „2“ oben und „4“ unten auf dem Schirm befindet. Der Leuchtpunkt wandert also immer von oben nach unten. Bei den Maximalwerten ist die Bewegung verlang- samt, da dort die Steigung der Sinuskurve geringer ist als bei den neutralen Zuständen. Jetzt kombinieren wir beide Spannungen und erhalten die überlagerte Bewegung, nämlich die Sinuskurve als Bild auf dem Leuchtschirm. Man erhält also ein Bild der an den y-Platten anliegenden Spannung. Die Rauf- und Runterbewegung (Abb.9) wird also durch die lineare Bewegung von links nach rechts (Abb.8) auseinandergezogen. Hinweis:
es liegt die gleiche Zeitspanne T vor
Abb. 10 In folgendem Videoausschnitt sieht man den Ablauf noch einmal als schöne Animation.
Quelle:
https://www.youtube.com/watch?v=2tPPwySsAdg (Ausschnitt) Lissajous-Figuren Man kann statt der Sägezahnspannung auch eine andere harmon-ische Schwingung an den x-Platten anlegen. Man erhält dann die Lissajous-Figuren. Diese machen Aussagen über das Verhältnis der Spannungsfrequenzen und der Phasenlage. Zunächst wieder die Erläuterung anhand einer Abbildung. Es wird hier eine Sinusspannung mit der Frequenz f mit einer Sinusspannung doppelter Frequenz 2∙f kombiniert. Die Sägezahnspannung ist abge- schaltet und durch 2∙f ersetzt worden. Oben sieht man die einzelnen Ablenkungen, wenn diese alleine am Oszilloskop anliegen. Unten dann das Bild bei gleichzeitiger Anlage der Spannungen. Es geben sich recht komplexe Figuren, aus denen man das Frequenzverhältnis und/oder die Phasenlage (Phasenver- schiebung) erkennen kann. Im Folgenden noch einige weitere Beispiele von Figuren auf dem Oszilloskop mit Angabe der Frequenz und Phasenverschiebung.
Hinweis: die Figuren lassen sich ziemlich schnell
bei „mathematica“ mit der Funktion „ParametricPlot“ zeichnen. Schulversuch: Im Unterricht muss man bei einem Oszilloskop die Horizontalablenk- ung ausschalten (z.Bsp. mit „Horizontal extern“ ein) und dann an die beiden Eingänge zwei Sinusgeneratoren anschließen, die dann die passenden Sinusspannungen liefern. In der Abbildung sieht man mal einen Aufbau aus meinem Unterricht.
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