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Physik · Grundkurs 11

Die Braunsche Röhre

Philo & Alex Scholz

Motivation

Wozu braucht man so etwas?

Elektronen sind unsichtbar und winzig. Die Braunsche Röhre macht ihre Bewegung sichtbar — als leuchtenden Punkt, der sich in Echtzeit lenken lässt.

  • Oszilloskop — zeichnet elektrische Spannungen als Kurve. Bis heute Standard im Labor.
  • Röhrenfernseher & Monitore — fast 100 Jahre die Bildtechnik.
  • Radar, EKG-Anzeigen — überall, wo schnelle Signale dargestellt werden mussten.

Der rote Faden des Vortrags

Die Röhre vereint fast unser ganzes Halbjahr in einem Gerät:

elektrisches Feld · Beschleunigungsarbeit · Plattenkondensator · Lorentzkraft.

Weg zur Erfindung

Von rätselhaften Strahlen zur Erfindung

Lange bevor jemand das Elektron kannte, leuchteten in Gasentladungsröhren geheimnisvolle Strahlen — niemand wusste, was sie waren.

~1855–75Plücker, Hittorf und Crookes beobachten in Gasröhren „Kathodenstrahlen“ — ihre Natur ist völlig unklar (Welle oder Teilchen?).
1897J. J. Thomson weist nach: Es sind Teilchen — das Elektron. Im selben Jahr baut Ferdinand Braun die erste ablenkbare Röhre mit Leuchtschirm.
~1899Sein Assistent Jonathan Zenneck ergänzt die Zeitablenkung — aus der Röhre wird ein echtes Messgerät (Oszilloskop).
1909Braun erhält den Physik-Nobelpreis (mit Marconi, für die drahtlose Telegrafie).
ab 1920erAus dem Prinzip entsteht das Fernsehen — die Röhre prägt fast 100 Jahre Bildtechnik.

Überblick

Der Weg eines Elektrons

Die ganze Röhre ist eine Reise — wir folgen einem Elektron von links nach rechts.

  1. Erzeugen — Elektronen aus der glühenden Kathode
  2. Beschleunigen — im elektrischen Feld auf Tempo bringen
  3. Ablenken — gezielt steuern (elektrisch & magnetisch)
  4. Sichtbar machen — Aufprall auf den Leuchtschirm

Aufbau · Schritt für Schritt

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Schritt 1 / 4 · Funktionsweise

Elektronen erzeugen

Glühelektrischer Effekt: Ein Draht (die Kathode) wird zum Glühen geheizt. Die Wärme gibt den Elektronen so viel Energie, dass sie aus dem Metall austreten — wie Dampf von kochendem Wasser.

Wehnelt-Zylinder Eine umgebende „Lochblende“ bündelt die Elektronen und regelt über ihre Spannung, wie viele durchkommen — das steuert später die Helligkeit des Punkts.
Kathode heiß e⁻ treten aus

Schritt 2 / 4 · Funktionsweise

Beschleunigen im E-Feld

Zwischen Kathode und einer positiven Anode liegt die Beschleunigungs­spannung UB. Das elektrische Feld zieht die Elektronen Richtung Anode und macht sie immer schneller.

Die elektrische Arbeit wird vollständig in Bewegungsenergie umgewandelt:

e·UB= 12 m·v²

Nach v auflösen ergibt die Austrittsgeschwindigkeit:

v= 2·e·UBm
– Kathode + Anode langsam → schnell E-Feld

Schritt 3a / 4 · Ablenkung elektrisch

Ablenkung mit Ablenkplatten

+ – Y l L d

Im Feld eine Parabel (wie schräger Wurf), danach geradlinig weiter bis zum Schirm.

Schritt für Schritt:

  1. Feld: E = Udd, Kraft F = e·E
  2. Beschleunigung quer: a = e·Udm·d
  3. Flugzeit in den Platten: t = lv
  4. einsetzen, v² aus Schritt 2 nutzen …
Ergebnis Y = Ud · l · (L + l/2)2 · d · UB
Clou: e und m kürzen sich heraus — die Ablenkung hängt nur von Spannungen und Geometrie ab, nicht von der Teilchenart.

Schritt 3b / 4 · Ablenkung magnetisch

Ablenkung mit der Lorentzkraft

Statt Platten benutzt man Spulen. Ihr Magnetfeld B steht senkrecht zur Flugrichtung. Auf das bewegte Elektron wirkt die Lorentzkraft — immer senkrecht zur Bewegung, also krümmt sich die Bahn zum Kreis.

FL = e·v·B

Kraft = Zentripetalkraft → Radius der Kreisbahn:

r = m·ve·B
Unterschied: Hier steht m und e in der Formel — die Ablenkung hängt sehr wohl vom Verhältnis e/m ab. Genau das nutzt man im Fadenstrahlrohr, um e/m zu bestimmen.
B (in die Ebene) r e⁻

Gegenüberstellung

Elektrisch oder magnetisch?

elektrisch Ablenkplattenmagnetisch Spulen
UrsacheKraft im Plattenfeld F = e·ELorentzkraft F = e·v·B
BahnformParabel, dann geradeKreisbogen
Hängt ab von e/m?Nein — kürzt sich herausJa — r = m·v/(e·B)
Stärke der Ablenkungbegrenzt (kleine Winkel)große Winkel möglich
Typische AnwendungOszilloskop (schnell, präzise)Fernseher/Monitor (großer Bildwinkel)

Schritt 4 / 4 · Funktionsweise

Sichtbar machen — der Leuchtschirm

Der Schirm ist innen mit einer Leuchtstoffschicht beschichtet. Trifft das schnelle Elektron auf, gibt es seine Energie ab und der Stoff leuchtet kurz auf (Fluoreszenz) — ein heller Punkt.

  • Ort des Punkts = wie stark abgelenkt wurde.
  • Helligkeit = wie viele Elektronen (Wehnelt!).
  • Bewegt sich der Punkt schnell genug, sieht das Auge eine durchgehende Linie oder ein Bild (Nachleuchten + Trägheit des Auges).
Lichtpunkt e⁻

Anwendung I

Das Oszilloskop

Zwei Plattenpaare arbeiten zusammen:

  • Waagerecht (X): eine Sägezahn­spannung zieht den Punkt gleichmäßig von links nach rechts — die „Zeitachse“.
  • Senkrecht (Y): das zu messende Signal lenkt nach oben/unten aus.

Zusammen zeichnet der Leuchtpunkt den zeitlichen Verlauf einer Spannung als Kurve — z. B. eine Sinusschwingung.

X: Zeit (Sägezahn) → Y: Signal

Anwendung II

Röhrenfernseher & Monitor

Hier lenken Spulen (magnetisch) den Strahl Zeile für Zeile über den Schirm — sehr schnell, ein ganzes Bild ~25–30-mal pro Sekunde.

  • Der Wehnelt-Zylinder regelt dabei die Helligkeit jedes Bildpunkts.
  • Farbfernseher: drei Strahlen (Rot, Grün, Blau) + Lochmaske.

Heute ersetzt durch LCD/OLED — aber das Prinzip „Strahl steuern, Punkt leuchten lassen“ war jahrzehntelang die Grundlage aller Bildschirme.

zeilenweises Abtasten (Raster)

Was ihr mitnehmt

Zusammenfassung

  1. Erzeugen: glühende Kathode setzt Elektronen frei (Wehnelt = Helligkeit).
  2. Beschleunigen: e·UB = ½mv² — Arbeit wird Bewegungsenergie.
  3. Ablenken: elektrisch (Parabel, unabhängig von e/m) oder magnetisch (Kreis, r = mv/eB).
  4. Sichtbar machen: Leuchtschirm zeigt Ort & Helligkeit als Punkt.

Ein Gerät — fast das ganze Halbjahr: E-Feld Kondensator Lorentzkraft.

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Vortragsnotizen