|
Versuch
zur Glühemission Wir sehen uns zunächst einen Versuch zur Glühemission (Edison-Effekt, Glühelektrischer Effekt, Richardson-Effekt) an. Benno Köhler hat hierzu ein schönes Video produziert, in dem er den Schulversuch einmal mit der „vor kurzem noch üblichen“ Leybold- Röhre durchführt. Im Folgenden findet man einen Ausschnitt aus dem Video mit den wichtigsten Ergebnissen. Die Messungen haben aber nur qualitativ stattgefunden. Weiter unten findet man auch aus- führliche Messwerte, die von mir aufgenommen wurden. Video:
Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=ej6Bbk8o0ss (Ausschnitt) Hier
sieht man noch einmal den Aufbau mit der Benennung der Geräte.
Leider
hat H. Köhler nicht die Heizspannung gemessen. Die
Leyboldröhre ist sehr einfach aufgebaut. Sie besteht nur aus einem evakuierten
Glaskolben, in den zwei Metallplatten (Kathode und
Anode) eingelassen sind. Vor der Kathode befindet sich der Heizdraht. Folgende
Abbildung zeigt diesen einfachen Aufbau.
Wir fassen einmal die wichtigsten Ergebnisse des
Versuches zusam- men.
Interpretation
der Ergebnisse: Aus 3.)
geht hervor, dass der Stromfluss durch negative Ladungs- träger,
also Elektronen, stattfinden muss. Diese Elektronen treten in der
Röhre nur auf, wenn der Glühdraht beheizt (1.+ 2.) wird. Hinweis: Da nur eine Stromrichtung durchgelassen wird, kann
man den Aufbau als Gleich- richter (Diode) benutzen.
In der Abbildung ist eine Schaltskizze des Versuches
dargestellt, wenn man
den Versuch im Unterricht durchführen möchte.
Zur
genaueren Untersuchung der Glühemission wurden von mir fol- gende
Messwerte aufgenommen und mit Excel ausgewertet.
Man
erkennt sofort, dass die Kurven sich in der Form sehr ähneln. Die
folgende Graphik zeigt die wichtigen Teile der Messkurve.
Quelle:
https://lp.uni-goettingen.de/get/text/4256 Man
sieht zunächst einen leichten Anstieg. Dann kommt ein ziemlich geradliniger
Verlauf und am Schluss entwickelt sich ein Plateau, auf dem die
Stromstärke sich kaum noch ändert. Im
negativen Bereich gibt es leider von mir keine Messungen. Man er- kennt
dort einen langsamen Anstieg, der durch eine
Exponentialfunk- tion
beschrieben werden kann. Dann erfolgt der lineare Bereich, für den die Langmuir-Schottky-Raumladungsgleichung
gilt. Nach ihr be- steht
eine Proportionalität zu U1,5. Auch für die Sättigungsspannung und die
Sättigungsstromstärke gibt es Gleichungen, die man in der einschlägigen
Literatur (Bergmann-Schäffer) nachlesen kann. Wir
wollen den Verlauf hier vor allem erklären. Hierzu
gibt es zunächst ein paar allgemeine Bemerkungen. Elektronenwolke (Anode neutral): Als
Heizdrähte werden Metalle benutzt. In diesen Metallen gibt es freie
Elektronen, die sich also vom Atom gelöst haben. Daher ist ja
Stromfluss in Metallen möglich. Diese freien Elektronen verlassen aber
nicht einfach das Metall über die Oberfläche, weil dann ja eine positive
Ladung im Metall zurückbliebe. Die elektrischen Anziehungs- kräfte
verhindern dies. Man sagt: „Es muss eine gewisse Energie auf- gewandt
werden, damit die Elektronen das Material verlassen“. Diese Energie
wird Austrittarbeit WA genannt. Diese Austrittsarbeit hängt vom
Material ab. Es hat sich eingebürgert WA in der Einheit „Elektronenvolt“
anzugeben. Es gilt dabei:
Hinweis (Beschleunigungskondensator):
Ekin = Q ∙ U = e ∙ 1 V = 1,602 ∙ 10−19
J Beispiele
für einige Austrittsarbeiten: Wolfram
4,53 eV; Aluminium 4,20 eV; Barium 2,52 eV, Cäsium 1,94 eV Eine
besonders geringes Austrittarbeit von 1 eV weist Bariumoxid auf. deshalb
werden die Heizdrähte
häufig mit BaO ummantelt. Diese
Energie WA muss mindestens aufgewandt werden, damit die Elektronen
austreten können. Die tatsächliche Energieaufnahme durch
die thermische Anregung kann aber ganz unterschiedlich sein und
ergibt eine gewisse Geschwindigkeitsverteilung der emittierten Elektronen. Die
Elektronen umgeben den Glühdraht dann als Elektronenwolke und
bilden eine Raumladungszone, in der in bestimmten Bereichen die
Elektronendichte groß ist und in anderen geringer, je nachdem wieviel Energie
aufgenommen wurde. Man vergleicht den Prozess der
Elektronenemission (Glühemission) häufig mit dem Verdunstungs- bzw.
Verdampfungsprozess von erwärmtem Wasser und spricht von „Elektronenverdampfung“.
Die Elektronen haben aufgrund der Ladungsverhältnisse
(positive Atomrümpfe im Metall bleiben zurück, negative
Ladung der Elektronen) die Tendenz sich wieder in das Metall
zurückzubewegen. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen austretenden
und eintretenden Elektronen ein, so dass die Anzahl der
Elektronen in der Elektronenwolke bei fester Heizspannung in etwa
immer gleich groß ist. Wegen der Ladungsunterschiede baut sich
zwischen Kathode und Elektronenwolke ein elektrisches
Feld E1 auf. Elektronenwolke (Anode positiv): Wird die
Anode positiv geladen, baut sich neben dem ersten elektri- schen
Feld ein zweites elektrisches Feld E2
zwischen Elektronen- wolke
und Anode auf. Die Feldlinien enden dabei auf den Elektronen der
Elektronenwolke. Dieses elektrische Feld ist so ausgerichtet, dass es die
Elektronen zur Anode beschleunigt, so dass sie an der Anode als
elektrischer Strom abfließen können. Die Stromstärke dieses Stromes
wird übrigens mit dem Amperemeter gemessen. Die Verhältnisse
sehen schematisch in etwa folgendermaßen aus.
Es „konkurrieren“ praktisch zwei elektrische Felder
miteinander um die
ausgetretenen Elektronen. Hinweis: Es handelt sich nicht um homogene Felder! Anlaufstrombereich Hierunter versteht man den Teil der Kurve, der im Negativen verläuft. Dies bedeutet, dass dann die Anode negativ geladen ist. Man erkennt dann trotz des abbremsenden elektrischen Feldes einen Stromfluss an der Anode. Erklärung: Da die Geschwindigkeitsverteilung der austretenden Elektronen sehr unterschiedlich sein kann, gibt es auch Elektronen mit großen Ge- schwindigkeiten, die das abbremsende Feld überwinden können und dann als Strom zur Erde abfließen. Raumladungsbereich Die
Anode ist jetzt positiv geladen. Das Feld E2 zieht Elektronen aus der Elektronenwolke
ab, die dann vom Heizdraht nachgeliefert werden. Je höher
die positive Spannung, desto stärker wird das abziehende elektrische
Feld E2. Es werden immer mehr Elektronen aus der Wolke zur
Anode beschleunigt. Dieser Abzug erfolgt linear zum Anstieg der Spannung.
Die Elektronenwolke wird immer mehr ausgedünnt. Die Elektronenwolke
schirmt nicht mehr die Kathode ab, so dass immer mehr
Feldlinien auf der Kathode enden und die Elektronen direkt zur
Anode abgezogen werden können. Sättigungsbereich Irgendwann ist die Spannung und somit das elektrische Feld E2 so groß, dass sich die Elektronenwolke aufgelöst hat und alle Feldlinien auf der Kathode enden, d.h. die austretenden Elektronen werden sofort nach dem Austritt abgesaugt. Da die Anzahl der austretenden Elektronen konstant ist, ist auch die Anzahl der auf der Anode auf- treffenden Elektronen konstant. Es stellt sich eine feste Stromstärke ein. Diese Stromstärke muss natürlich mit der Erhöhung der Heiz- spannung zunehmen, da dann eine größere thermische Energie zur Verfügung steht und mehr Elektronen das Metall verlassen können. Linkliste:
zum
Abschnitt: −
Versuchsaufbau − Schaltskizze − Versuchsergebnisse − Messergebnisse −
Kurvenverlauf − Erklärung: Elektronenwolke - Kapitel „Plattenkondensator“
- Anwendungen des Ablenkkondensators: Oszilloskop |
