Durch das Beheizen einer im Vakuum befindlichen Glühwendel, z.B. durch einen Stromfluss durch die Wendel, gelingt es, Elektronen aus der Glühwendel herauszulösen und ins Vakuum zu bringen. Diesen Effekt nennt man Glühelektrischen Effekt oder nach seinem Entdecker EDISON-Effekt.
Entdeckung durch EDISON
Bei seinen Experimenten zur Verbesserung der Glühlampe entdeckte Thomas Alva EDISON den nach ihm benannten Effekt. Er schreibt selbst: "Wenn eine leitfähige Substanz irgendwo in den Vakuumraum des Kolbens einer elektrischen Glühlampe eingebracht wird und diese außerhalb der Lampe mit einem Pol, am besten mit dem positiven Pol der Glühlampe, verbunden wird, fließt ein Teil des Stroms, wenn die Lampe brennt, durch den so gebildeten Nebenschlusskreis, der einen Teil des Vakuums in der Lampe einschließt". (entnommen aus Galileo 10/1, Seite 98)
Elektronenemission durch Heizen der Glühwendel
Du kannst die Elektronenemission einer beheizten Glühwendel (siehe Abb. 2) mit dem Verdampfen von Wasser vergleichen:
Im kalten Zustand können die Elektronen nicht aus der Metalloberfläche austreten, da dies die rücktreibenden Kräfte der positiven Atomrümpfe verhindern. In ähnlicher Weise verhindert die Oberflächenspannung von Wasser (herrührend von Kräften der Nachbarmoleküle) das Austreten von Wassermolekülen aus der kalten Flüssigkeit.
Erhitzt du nun das Wasser, dann haben einige Wassermoleküle soviel kinetische Energie, dass sie trotz der rücktreibenden Kräfte das Wasser verlassen können. Ähnlich kannst du dir das "Abdampfen" der Elektronen beim glühelektrischen Effekt vorstellen. Mit zunehmender Aufheizung der Glühwendel durch den Strom erreicht die thermische Geschwindigkeit von immer mehr Elektronen einen Wert, der das Verlassen des Metalls gestattet. Um die Wendel herum bildet sich eine negative Ladungswolke (Raumladung), die das weitere Austreten nachfolgender Elektronen hemmt. Manche Elektronen sind allerdings so schnell (die Elektronen haben eine Geschwindigkeitsverteilung), dass sie bis zu der in der Animation dargestellten Elektrode gelangen können. Dadurch fließt dann ein sehr kleiner Strom , der mittles feinem Strommesser nachweisbar ist.
Vorgänge auf atomarer Ebene
Die Animation in Abb. 3 veranschaulicht detaillierter die Vorgänge auf atomarer Ebene wenn keine Heizspannung an der Wendel anliegt:
- Leichte thermische Bewegung der Atomrümpfe (rot).
- Regellose, fast freie Bewegung der Leitungselektronen (blau), die jedoch das Metall nicht verlassen.
Vorgänge bei geringer Heizspannung
Die Animation in Abb. 4 veranschaulicht detaillierter die Vorgänge auf atomarer Ebene wenn nur eine geringe Heizspannung an der Wendel anliegt:
- Die Bewegung der Atomrümpfe (rot) wird stärker.
- Die regellose fast, freie Bewegung der Leitungselektronen nimmt zu, die schnellen Elektronen können das Metall verlassen.
- Es beginnt der Aufbau einer negativen Raumladungsschicht um die Wendel.
Vorgänge bei großer Heizspannung
Die Animation in Abb. 5 veranschaulicht detaillierter die Vorgänge auf atomarer Ebene wenn eine große Heizspannung an der Wendel anliegt:
- Die Bewegung der Atomrümpfe (rot) wird noch stärker.
- Die regellose fast, freie Bewegung der Leitungselektronen nimmt zu, immer mehr schnelle Elektronen können das Metall verlassen.
- Es bildet sich die negative Raumladungsschicht um die Wendel voll aus.