Der Aufbau der Röhre
Die Braunsche Röhre (Ferdinand Braun, 1897) ist ein Glaskolben, in dem ein Elektronenstrahl erzeugt, gebündelt, beschleunigt, abgelenkt und sichtbar gemacht wird. Von links nach rechts liegen darin diese Bauteile:
- Glaskolben:luftleer gepumpt, damit die Elektronen nicht mit Luftteilchen zusammenstoßen.
- Glühkathode:ein Heizdraht (Heizspannung etwa 6 V) bringt sie zum Glühen; sie setzt Elektronen frei (Glühemission).
- Wehneltzylinder:Metallzylinder mit Loch um die Kathode, negativ gegenüber der Kathode; er bündelt den Strahl und regelt die Helligkeit.
- Anode:Lochscheibe, positiv gegenüber der Kathode; die Beschleunigungsspannung \(U_\text{B}\) (einige kV) dazwischen macht die Elektronen schnell.
- y-Platten:waagerechtes Plattenpaar; die Ablenkspannung \(U_\text{A}\) daran lenkt den Strahl nach oben oder unten.
- x-Platten:um 90° gedrehtes Plattenpaar; lenkt nach links oder rechts.
- Leuchtschirm:innen mit Leuchtstoff beschichtet; wo Elektronen auftreffen, leuchtet er.
① Glühkathode setzt Elektronen frei · ② Wehneltzylinder bündelt den Strahl · ③ Anode beschleunigt · ④ y- und x-Platten lenken ab · ⑤ Leuchtschirm zeigt den Auftreffpunkt.
Aufbau: Glühkathode, Wehneltzylinder, Anode, y-Platten, x-Platten und Leuchtschirm im luftleeren Glaskolben.
So funktioniert die Röhre
Ein Elektron durchläuft die Röhre in fünf Schritten:
- ① Freisetzen:Die glühende Kathode gibt Elektronen ab; ohne Heizung kein Strahl.
- ② Bündeln:Der negative Wehneltzylinder drückt die Elektronen zur Achse; je negativer er ist, desto weniger kommen durch – der Fleck wird dunkler.
- ③ Beschleunigen:Zwischen Kathode und Anode nehmen die Elektronen die Energie \(e\,U_\text{B}\) auf und fliegen durch das Loch mit konstanter Geschwindigkeit weiter.
- ④ Ablenken:Zwischen den Platten zieht die Plusplatte die Elektronen an: y-Platten senkrecht, x-Platten waagerecht.
- ⑤ Sichtbar machen:Der Leuchtschirm wandelt die Bewegungsenergie in Licht um – der Leuchtfleck zeigt, wo der Strahl auftrifft.
Schalte die Heizung ein und starte den Strahl mit ▶. Tippe ein Bauteil an, um seine Aufgabe zu lesen, und verändere die Spannungen: Wie reagiert der Leuchtfleck auf dem Schirm?
Halte fest: Die Heizung liefert die Elektronen, der Wehneltzylinder regelt die Helligkeit, die Anode macht sie schnell, die Plattenspannungen verschieben den Leuchtfleck – je größer die Beschleunigungsspannung, desto kleiner die Ablenkung.
Funktionsweise: Glühemission → Bündeln → Beschleunigen → Ablenken → Leuchtfleck.
Vom Strahl zum Leuchtfleck
Nichts Neues: beschleunigen, quer ablenken und geradlinig weiterfliegen.
- Zwischen den Platten:Parabel, \(y=\dfrac{e\,U_\text{A}\,l^{2}}{2\,m\,d\,v_0^{2}}\).
- Hinter den Platten:kein Feld, geradlinig weiter.
- Auf dem Schirm:\(Y=\left(\dfrac{l}{2}+L\right)\tan\alpha\) mit \(\tan\alpha=\dfrac{v_y}{v_0}\).
- Entscheidend:\(Y\sim U_\text{A}\) — die Röhre zeigt die Spannung unverzerrt an.
Auslenkung: Die Auslenkung auf dem Schirm ist proportional zur Ablenkspannung: \(Y\sim U_\text{A}\).
Trägheitslos: Die Elektronen folgen praktisch trägheitslos; die Röhre zeigt auch schnell veränderliche Spannungen unverzerrt an und ist so ein Messgerät.
Strahlweg: Parabel zwischen den Platten, danach geradlinig bis zum Schirm.
Das Oszilloskop: zwei Ablenkungen gleichzeitig
Ein Oszilloskop zeichnet ein Spannungs-Zeit-Diagramm.
- x-Platten:Sägezahnspannung — der Fleck wandert gleichmäßig nach rechts und springt zurück; die x-Achse wird zur Zeitachse.
- y-Platten:die zu messende Spannung zieht den Fleck nach oben oder unten.
- Stehendes Bild:Nachleuchten des Schirms und Trägheit des Auges, wenn jeder Durchlauf dasselbe Bild zeichnet.
Zwei gekoppelte Diagramme zeigen links oben die Messspannung an den y-Platten, links unten die Sägezahnspannung an den x-Platten. Rechts entsteht daraus Punkt für Punkt das Schirmbild.
Erst der Sägezahn macht die x-Achse zur Zeitachse; ohne ihn bleibt nur ein senkrechter Strich.
Oszilloskop: Es zeichnet ein Spannungs-Zeit-Diagramm.
x-Platten: Eine Sägezahnspannung lässt den Fleck gleichmäßig nach rechts wandern und zurückspringen; die x-Achse wird zur Zeitachse.
y-Platten: Die zu messende Spannung lenkt den Fleck nach oben oder unten; ein stehendes Bild entsteht, wenn jeder Durchlauf dasselbe zeichnet.
Allgemeine Hinweise
Zwei Spannungen auseinanderhalten
\(U_\text{B}\) an der Anode beschleunigt und legt \(v_0\) fest, \(U_\text{A}\) an den Platten lenkt ab. Ein größeres \(U_\text{B}\) macht den Ausschlag kleiner, weil \(v_0\) im Nenner quadratisch steht.
Scheinbarer Ursprung Plattenmitte
In \(Y=\left(\dfrac{l}{2}+L\right)\tan\alpha\) wird \(L\) ab dem Plattenende gemessen. Die halbe Plattenlänge steckt schon im Term — zähle sie nicht ein zweites Mal dazu.
Effektivwert nur bei Sinus
\(U_\text{eff}=\dfrac{\hat u}{\sqrt2}\) gilt ausschließlich für sinusförmige Signale. Bei Rechteck oder Dreieck liest du Scheitelwert und Periodendauer ab, rechnest aber nicht so weiter.