Stromfluss im Vakuum

Hallo. In diesem Video geht es allgemein um den Stromfluss im Vakuum. Wir wollen uns dann genauer angucken, was eigentlich Glühemission ist, beziehungsweise der Edison-Effekt. Dann wollen wir schauen, was es für eine Anwendung findet in der Vakuumdiode. Und zum Schluss gucken wir, wie ein Fernseher funktioniert, und zwar mithilfe der Brownschen Röhre. Also los geht es mit der Glühemission, oder dem Edison-Effekt. Glühemission entsteht immer dann, wenn an einen so aufgewickelten Draht, auch Heizwendel genannt, eine Spannung angelegt wird. Das ist dann die Heizspannung und die kann zum Beispiel ungefähr 6 V betragen. Um dieses Heizwendel befindet sich ein großer Glaskolben, in dem Vakuum ist. Dieses Heizwendel erhitzt sich jetzt, denn es fließt ja Strom dadurch, und durch diese Erhitzung, treten dann Elektronen aus dem Heizwendel aus. Das liegt daran, dass ja die innere Energie in dem Metall durch den Stromfluss steigt. Das heißt, alle Teilchen bewegen sich immer schneller und irgendwann ist dann der Punkt erreicht, dass die Energie der Elektronen ausreicht, um aus dem Metall auszutreten. Den Elektronen gelingt es also, sich von den Anziehungskräften, zwischen ihnen und den Protonen, zu befreien. Und was soll jetzt mit diesen schönen, freien Elektronen passieren? Wir legen hier oben in den Glaskolben einen positiven Pol hin. Positiven Pol, das heißt, das ist eine Anode. Und hier unten ist dann dementsprechend die Kathode. Zwischen den beiden liegt dann eine Spannung an. Das ist oben der positive Pol und unten der negative. Und dann passiert Folgendes: Die ausgetretenen Elektronen werden von dem positiven Pol, von der Anode oben, angezogen. Und dann entsteht ein Stromfluss. Und dieser Stromfluss ist natürlich umso größer, je größer die Spannung zwischen der Anode und der Kathode ist. Und das kann man sehr gut in einem Diagramm darstellen, wo auf der x-Achse, also auf der Waagerechten, die Spannung aufgetragen wird, und auf der Senkrechten, der Strom. Und dann sieht man, dass sogar bei einer geringen, negativen Anodenspannung, einige Elektronen es bis zur Anode schaffen. Diejenigen, die viel Energie mitbekommen haben. Und natürlich, je größer die Anodenspannung im positiven Bereich wird, desto größer wird dann auch der Stromfluss. Aber nur bis zu einem bestimmten Punkt. Aber dazu kommen wir später noch mal. Erst mal betrachten wir den Punkt, wo die Anodenspannung 0 V beträgt. Und wir sehen, dass sogar dort schon, ein sehr kleiner Strom fließt. Und das liegt daran, wie vorhin schon angedeutet, dass hier auch die Elektronen auch schon eine gewisse Energie mit sich bringen. Den Punkt hier oben nennen wir mal Us, und das steht für die sogenannte Sättigungsspannung. Das ist nämlich der Punkt, an dem alle Elektronen, die aus dem Glühwendelchen austreten, sozusagen abgesaugt werden, von der Anode. Das heißt, der Strom kann kaum mehr größer werden. Und damit kommen wir nun zur Vakuumdiode. Was das ist, wollen wir uns jetzt mal genauer anschauen. Was passiert, wenn wir die Pole hier mal vertauschen?  Dann werden die Elektronen ja abgestoßen, vom negativen Pol. Das heißt, es fließt kein Strom mehr. Und wenn es wieder andersherum ist, also oben ist der positive Pol, dann fließen wieder viele Elektronen. Das wollen wir uns auch noch mal in einem Diagramm veranschaulichen. Und zwar in einem Diagramm, wo auf der waagerechten Achse t, die Zeit, aufgetragen wird, und auf der senkrechten Achse erst mal die Spannung, in Abhängigkeit von der Zeit. Nehmen wir mal an, wir legen eine Wechselspannung an. Dann sieht die Kurve so aus, so wie eine Sinuskurve. Und was passiert nun mit dem Strom? Wenn die Spannung positiv ist, fließt auch Strom, und zwar immer mehr, je mehr Spannung anliegt. Geht die Spannung aber ins Negative, fließt kein Strom mehr. Das haben wir ja eben gesehen. Der Strom ist null. Und ist die Spannung wieder positiv, dann fließt wieder Strom. Das heißt, es gibt einen Stromfluss, aber nur in eine Richtung. Das nennt sich dann eine Diode. Eine Diode hat nämlich eine Gleichrichterwirkung. Das heißt, durch eine Diode kann ein Strom nur in eine Richtung fließen. Und das ist sehr praktisch für den Haushalt, denn es gibt sehr viele Geräte, die keine Wechselspannung vertragen, obwohl wir diese ja aus dem Stromnetz bekommen. Denn eine Diode kann aus Wechselspannung, Gleichspannung machen. Gut, dann gucken wir mal, wo dieser Vakuumstrom noch so angewandt wird, zum Beispiel, in der Brownschen Röhre. Dazu stellen wir den Aufbau noch mal ein wenig verkleinert dar. Hier ist wieder unser Heizwendel, an dem eine Heizspannung anliegt, und dann die Elektronen austreten. Und das hier ist jetzt, in abgeänderter Form, unsere Anode. Sie sieht jetzt aus wie ein Zylinder, mit einem Loch hinten. Dann wird wieder eine Spannung zwischen das Heizwendel und die Anode angelegt, die Anodenspannung. Die Elektronen werden jetzt wieder angezogen von der Anode, beschleunigt in die Richtung, und werden aber so fokussiert, dass sie durch das Loch hindurch rasen. Und was passiert dann mit diesen wahnsinnig beschleunigten Elektronen? Sie kommen zwischen 2 geladene Platten, positiv und negativ, also zwischen ein elektrisches Feld. Beziehungsweise man nennt das auch einen Kondensator. Dort werden sie abgelenkt, und zwar hin zum positiven Pol. Klar, da werden sie angezogen und verlassen dann den Kondensator auf einem abgelenkten Weg. Und was passiert dann? Dann treffen sie auf einen Schirm. Und diesen Punkt des Schirmes bringen sie dann, mit ihrer Energie, zum Leuchten. Wie stark sie abgelenkt werden, also welchen Punkt am Schirm sie treffen, hängt von der Ablenkspannung ab. Ist diese nämlich zum Beispiel kleiner, werden sie nicht so stark angezogen, und treffen auf einen niedrigeren Punkt am Schirm. Ist die Polung umgekehrt, dann werden sie nach unten gezogen, und fliegen wieder an einen anderen Ort am Schirm. Also je nachdem, wie groß die Ablenkspannung ist, bestimmt diese den Auftreffort der Elektronen. Und diese hängt natürlich auch von der Anodenspannung ab, wie stark diese nämlich beschleunigt wurden. Und dann macht der Schirm die Elektronen sichtbar. Entweder können wir einfach das schöne Bild genießen, oder wir können damit auch Aussagen über die Größe der Ablenkspannung machen. Es gibt einige Geräte, in denen eine solche Brownsche Röhre steckt. Zum Beispiel ein Fernseher. Natürlich der alte Röhrenfernseher. Dort werden die Elektronen in alle Richtungen so abgelenkt, dass sie am Bildschirm kleine Farbpixel anregen. Die Spannung wird genau so geschaltet, dass das Elektron genau die richtige Farbe trifft. Und so sehen wird dann das farbige Bild. Ein anderes Beispiel ist das Oszilloskop. Das kann ja Spannungen, in Form von Kurven darstellen. Und das funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Je größer die Spannung, desto größer ist auch die Ablenkung, und so weiter. So können, im Gegensatz zu mechanischen Zeigern, auch Wechselspannungen dargestellt werden. Aber bei beiden Geräten reicht natürlich so ein elektrisches Feld gar nicht aus, denn das lenkt ja nur in die eine Richtung ab. Zum Beispiel in die senkrechte Richtung. Wir brauchen also noch einen zweiten Kondensator, der dahinter geschaltet wird, und zwar genau um 90° gedreht. In dem Kondensator werden dann die Elektronen auch noch in die andere Richtung abgelenkt.  Gut, das war es auch schon. Ich hoffe, euch hat mein Video über den Stromfluss im Vakuum, sowie die Glühemission, die Vakuumdiode und die Brownsche Röhre, gefallen. Bis zum nächsten Mal. Tschüss.