Hallo,
ich habe eine Frage zur Glühemission bei Röhren (auch bekannt als
Edison-Richardson-Effekt).
Eine geheizte Glühkathode liefert Elektronen, die durch ein elektrisches
Feld zur Anode gelangen. Meine Frage dazu: Funktioniert das nur im
Vakuum?
Um die Glühemission nachzuvollziehen, habe ich eine KFZ-Bremslichtbirne
mit zwei Glühfäden verwendet. Dabei habe ich an einen Glühfaden 12 V
angelegt, sodass er leuchtet (Glühkathode). Am anderen Glühfaden (Anode)
habe ich ca. 100 V gegenüber der Kathode angelegt. Nun konnte ich einen
Anodenstrom von einigen mA messen. (Zur Info: Da die beiden Glühfäden am
Sockel der Bremslichtbirne miteinander verbunden sind (Masse), musste
ich den Sockel entfernen.)
Nun habe ich so einen ähnlichen Aufbau außerhalb von Vakuum gemacht. Als
Glühkathode habe ich einfach einen Kupferdraht genommen und so viel
Strom durchgeleitet, dass er rot glühte. Als Anode brachte ich einen
Leiter in die Nähe (ca. 5 mm Abstand). Hier konnte ich trotz 100 V
keinen Anodenstrom messen.
Die Frage ist jetzt - warum funktioniert das in der Birne (wobei in der
Birne vermutlich kein Vakuum ist, sondern eine Füllung mit Edelgas?),
aber nicht außerhalb der Birne?
Meine Vermutungen:
- Ich kann die Kathode außerhalb des Vakuums nicht so stark aufheizen,
dass Elektronen austreten?
- Ich habe das falsche Material als Kathode verwendet? Evtl. ist die
Austrittsarbeit bei Kupfer zu hoch?
- Evtl. treten Elektronen aus der Kathode aus, aber bevor sie zur Anode
gelangen reagieren sie mit der Umgebungsluft?
Vielleicht kennt sich hier jemand mit diesem Thema aus und kann mir hier
weiter helfen?
Grüße
Cyberfuzzy
Cyberfuzzy schrieb:> Meine Frage dazu: Funktioniert das nur im Vakuum?
Nein, aber erstens oxidiert deine Glühkatode bei Anwesenheit von
Sauerstoff bei den nötigen Temperaturen verdammt fix ;), und zweitens
werden die Elektronen bei Anwesenheit eines Gases zwar emittiert, aber
sie kollidieren auf ihrem Weg zur Anode danach mit so vielen Teilchen,
dass sie ihre Energie schnell wieder verlieren. Das schränkt die
praktische Nutzbarkeit ein.
Was passiert denn mit freien Elektronen in einem Medium (hier Luft)?
SIe versuchen schnellstmöglich sich zu rekombinieren. Sprich, sie lassen
sich von Atomen einfangen. Ich würde daher behaupten, dass man im
Medium, wenn überhaupt, nur sehr wenig freie Elektronen misst.
Anders sieht es bei Ionen aus als geladenen Atomen, die können im Medium
existieren.
Grüße
Basti schrieb:> Anders sieht es bei Ionen aus als geladenen Atomen, die können im Medium> existieren.
Weshalb es beispielsweise beheizte Thyratrons gibt: die Elektronen
helfen dann bei der Ionisation des Gases.
Es fliesst dann zwar ein Strom von Elektonen von der Kathode zur Anode,
aber die Elektronen kollidieren ständig mit Luftmolekülen erzeugen dabei
neue freie Elektronen und rekombinieren wieder mit den positiv geladenen
Ionen.
Dadurch kann kein Elektronenstrahl erzeugt werden.
Aber genau der Effekt passiert in Leuchtstoffröhren, da ist auch kein
Vakuum drin.
Jörg Wunsch schrieb:>> Anders sieht es bei Ionen aus als geladenen Atomen, die können im Medium>> existieren.>> Weshalb es beispielsweise beheizte Thyratrons gibt: die Elektronen> helfen dann bei der Ionisation des Gases.
Das funktioniert m.W. aber auch nur bei geringem Druck.
Harald Wilhelms schrieb:> Das funktioniert m.W. aber auch nur bei geringem Druck.
Ja, klar. Insofern ist es natürlich trotzdem Vakuum, denn das ist
per definitionem alles, bei dem der Druck geringer als der äußere
Luftdruck ist.
Udo Schmitt schrieb:> Es fliesst dann zwar ein Strom von Elektonen von der Kathode zur Anode,
Aber diesen Strom müsste man doch auch mit dem Multimeter messen können.
Oder ist der so gering, dass es nicht mehr im messbaren Bereich liegt?
Udo Schmitt schrieb:> Es fliesst dann zwar ein Strom von Elektonen von der Kathode zur> Anode,> aber die Elektronen kollidieren ständig mit Luftmolekülen erzeugen dabei> neue freie Elektronen und rekombinieren wieder mit den positiv geladenen> Ionen.> Dadurch kann kein Elektronenstrahl erzeugt werden.>> Aber genau der Effekt passiert in Leuchtstoffröhren, da ist auch kein> Vakuum drin.
Haben Leuchtstoffröhren nicht auch eine sehr niedrigen Innendruck?
Cyberfuzzy schrieb:> Aber diesen Strom müsste man doch auch mit dem Multimeter messen können.
Hast du doch. In deiner Bremslicht-Glühlampe ist kein absolutes Vakuum,
sondern nur ein Gas mit geringerem Druck als 1Bar.
je höher der Luftdruck desto größer wird die notwendige Spannung (besser
gesagt die notwendige elektrische Feldstärke) sein müssen um noch einen
messbaren Effekt zu erzielen.
Udo Schmitt schrieb:> je höher der Luftdruck desto größer wird die notwendige Spannung (besser> gesagt die notwendige elektrische Feldstärke) sein müssen um noch einen> messbaren Effekt zu erzielen.
Ah ok, das leuchtet mir ein. Vielen Dank für eure Hilfe :-)
Der Effekt funktioniert auch mit Gas. Durch die Stöße im Gas bekommt man
ggf. noch eine Verstärkung, also zusätzliche Elektronen (und Ionen) aus
Stößen. Auch in der Glühbirne ist kein Vakuum.
Allerdings ist Kupfer ein schlechte Wahl für die Glühkathode. Da ist die
Austrittsarbeit recht groß und die Temperatur darf nicht so hoch sein.
Da wird es auch im Vakuum schwer nennenswerte Ströme zu bekommen. Der
Wolframdraht einer Glühbirne ist da schon deutlich besser geeignet.
Nicht umsonst leuchten die Kathoden bei den richtigen Elektronenröhren
schon gut sichtbar, obwohl die schon ein Material mit relativ geringer
Austrittsarbeit nutzen.
>Nicht umsonst leuchten die Kathoden bei den richtigen Elektronenröhren>schon gut sichtbar, obwohl die schon ein Material mit relativ geringer>Austrittsarbeit nutzen.
Wolfram alleine hat auch noch nicht so richtig niedrige Austrittsarbeit.
Diese Eigenschaft bekommt es erst durch die BaO-Beschichtung (oder
ähnlich aktives Material).
Jens G. schrieb:> Wolfram alleine hat auch noch nicht so richtig niedrige Austrittsarbeit.> Diese Eigenschaft bekommt es erst durch die BaO-Beschichtung (oder> ähnlich aktives Material).
Die ersten Röhren hatten das wohl nicht. Deshalb leuchteten die auch
so hell wie Glühlampen.
Gruss
Harald
Eine direkt beheizte Kathode mit Wolframfaden muss sehr heiß sein
(2200°C), um einigermaßen zu emittieren. Besser gehts mit einem
Thoriumfaden, so bei den Röhren RE75...RE83. Die Helligkeit entspricht
ungefähr einem Fahrrad-Rücklicht.
Indirekt beheizte Kathoden sind mit einer Bariumoxidschicht versehen.
Diese "modernen" Röhren sieht man nur glimmen. Direkt beheizten Röhren
mit Bariumoxidschicht glimmen so schwach, daß man es nur in einem
abgedunkelten Raum erahnen kann (Batterieröhren DF9x, DK9x, DL9x).
Jörg Wunsch schrieb:> sie kollidieren auf ihrem Weg zur Anode danach mit so vielen Teilchen,> dass sie ihre Energie schnell wieder verlieren.
Ah ja. X-)
Bei ner rotglühenden Kathode, wo also die mittlere Austrittsenergie von
Elektronen ebenfalls bloß um und bei einem eV liegt, gibt es fast nix zu
verlieren.
Also richtig herum: so ein armes Elektron, das von einer 100 V
entfernten Anode angezogen wird, kriegt durch die Atome in der Luft erst
gar nicht die Energie drauf. Es rempelt sofort an und wird eingefangen
und ist wech. Sozusagen am Wegesrand in der nächsten Eckkneipe
versumpft.
Wenn man hingegen die Anode nur nahe genug annähert, dann kann es fast
klappen: dann beschleunigt das Elektron zwischen den Atomen so sehr, daß
es nun seinerseits die Luftmoleküle ionisieren kann - kawomm.
W.S.
Ich schätze , dass dein Glühdraht in Luft schnell mit einer Schicht aus
Metalloxiden und Nitriden überzogen wird. Die sind elektrisch isolierend
und dürften die Glühemission erheblich behindern. Hinzu kommt, dass
einmal emittierte Elektronen in Luft häufiger mit Gasmolekülen
zusammenstossen als in einer Glühbirne oder in einer Elektronenröhre.
Ist aber eine coole Idee mit der Zweifadenlampe. Schon mal als
Gleichrichter eingesetzt? Steampunk?
Cyberfuzzy schrieb:
>Um die Glühemission nachzuvollziehen, habe ich eine KFZ-Bremslichtbirne>mit zwei Glühfäden verwendet. Dabei habe ich an einen Glühfaden 12 V>angelegt, sodass er leuchtet (Glühkathode). Am anderen Glühfaden (Anode)>habe ich ca. 100 V gegenüber der Kathode angelegt. Nun konnte ich einen>Anodenstrom von einigen mA messen.
Dieses Experiment habe ich vor Jahren mit 300V auch mal gemacht.
Aber auf einmal gab es einen Lichtbogen im inneren der Birne,
und das war der Tot meines Meßgerätes, und der Zeiger war
auch abgebrochen.
ernst oellers schrieb:> Ist aber eine coole Idee mit der Zweifadenlampe. Schon mal als> Gleichrichter eingesetzt? Steampunk?
Ja, die Glühbirne funktioniert wunderbar als Gleichrichter. Aber 20 W
Verlustleistung um wenige mA durchzuleiten. Dafür müsste man wohl eine
neue Energieeffizienzklasse einführen :-)
Günter Lenz schrieb:> Dieses Experiment habe ich vor Jahren mit 300V auch mal gemacht.> Aber auf einmal gab es einen Lichtbogen im inneren der Birne,> und das war der Tot meines Meßgerätes, und der Zeiger war> auch abgebrochen.
Ups... Ich habe zwischen Spannungsquelle und Anode zur Sicherheit einen
33 kΩ Widerstand angeschlossen.
Cyberfuzzy schrieb:> Aber 20 W Verlustleistung um wenige mA durchzuleiten.
Aber dafür sind Röhren halt gerade der Hype. Wer fragt da schon nach
Energieeffizienz ...
