Bewegte Ladungen in Feldern

Elektrizitätslehre

Bewegte Ladungen in Feldern

  • Wie funktioniert eine Bildröhre?
  • Warum schützt das Erdmagnetfeld vor kosmischer Strahlung?
  • Wie funktionieren Teilchenbeschleuniger?
  • Kann man die Masse von Elektronen messen?
  • Wie groß ist die kleinste Ladung?

Joseph John THOMSON (1856 -1940)

Joseph John THOMSON (1856 -1940)
unbekannter Autor (First World War.com) [Public domain], via Wikimedia Commons

Joseph John THOMSON (1856 - 1940) studierte in Cambridge und wurde 1884, also bereits mit 28 Jahren, Professor am berühmten Cavendish-Laboratorium (seine Vorgänger waren MAXWELL und RAYLEIGH).

  • THOMSON wies 1896/97 die elektrische Leitfähigkeit von Gasen in evakuierten Gefäßen unter Röntgenbestrahlung nach.
  • Zusammen mit Lord KELVIN entwickelte er 1898 das nach ihm benannte Atommodell, einen Vorläufer des Atommodells von Rutherford.
  • 1899 entdeckte THOMSON unabhängig von Philipp LENARD, dass auch beim Photo- und beim glühelektrischen Effekt Elektronen emittiert werden.
  • 1906 erhielt er für seine Arbeiten über den Durchgang der Elektrizität durch Gase den Nobelpreis für Physik.
  • 1907 gelang es THOMSON durch Ablenkung von Kanalstrahlen (das sind diejenigen Teilchen, die sich auf die Kathode zu bewegen) im elektrischen Feld Parabeln zu erhalten, von denen jede einer der verschiedenen vorhandenen Atom- und Molekülarten entsprach.
  • Zusammen mit Francis Aston wies er 1913 mit dem Massenspektrographen beim Element Neon nach, dass auch nichtradioaktive Elemente Isotope haben.
  • Thomson gilt als der Entdecker des Elektrons (er nannte sie zunächst Korpuskel). Das von ihm entwickelte Atommodell war das zu seiner Zeit bedeutendste, welches die elektrischen Eigenschaften der Materie berücksichtigte.

Weiterführende Informationen:

Hendrik Antoon LORENTZ (1853 - 1928)

Hendrik Antoon LORENTZ
(1853 - 1928)
von Menso Kamerlingh Onnes (1860–1925) [Public domain], via Wikimedia Commons

Hendrik Antoon LORENTZ wurde am 13. Juli 1853 in Arnheim geboren.

Seine Schulzeit absolvierte er in seiner Geburtsstadt, bis er 1870 für ein Studium der Mathematik und Physik an die Universität Leiden ging.

Im Februar 1872 nahm er die Lehrtätigkeit am Abendgymnasium in Arnheim auf und bildete sich autodidaktisch weiter, so dass er 1875 promovieren konnte. Auf Grundlage der Maxwell-Theorie erklärte er in seiner Dissertation "Sur la théorie de la réflexion et de la réfraction de la lumière" die Brechung und Reflexion des Lichtes.

Nachdem er 1877 eine Professur auf den mathematischen Lehrstuhl in Utrecht ablehnte nahm er 1878 einen Ruf auf den ersten niederländischen Lehrstuhl für theoretische Physik an der Universität Leiden an. Im Jahr 1892 formuliert Hendrik Antoon LORENTZ eine modellhafte Theorie der Leitfähigkeit und der magnetischen Eigenschaften von Metallen, welche von der Existenz beweglicher negativer Ladungsträger in den Metallen ausgeht. Sie wird später als Elektronentheorie bezeichnet. 1895 führt er die nach ihm benannte LORENTZ-Kraft ein.

1902 erhält er den Nobelpreis für Physik. Ab 1912 war er als Kurator bei der Teyler-Stiftung in Haarlem tätig. Ab 1920 beteiligte er sich an der Planung des Zudersee-Projektes, welche er 1926 abschloss.

Hendrik Antoon LORENTZ verstarb am 4. Februar 1928 in Haarlem.

Lawrence-Zyklotron

Ernest Orlando LAWRENCE
(1901 –1958)
unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Ernest Orlando LAWRENCE, *8.8.1901 Canton (Süddakota), + 27.8.1958 Palo Alto (Calif.)

1928-58 Professor in Berkeley (Calif.), 1936-58 Direktor des dortigen Radiation Laboratory (heute Lawrence Berkeley Laboratory); konstruierte 1929-30 das erste Zyklotron, entdeckte mit diesem zahlreiche radioaktive Isotope (z. B. Kohlenstoff 14 und Uran 233) und stellte künstliche radioaktive Elemente (unter anderem radioaktives Natrium und Phosphor für den Einsatz in der Medizin und biologischen Forschung) her; ferner Arbeiten zur Plutoniumspaltung durch thermische Neutronen; mitbeteiligt an der Entdeckung der Antiteilchen; nahm die ersten Laboruntersuchungen an Mesonen vor; entwickelte 1941 unter Verwendung eines Zyklotrons die berühmte, nach dem Massenspektrometer-Prinzip arbeitende Isotopentrennanlage "Calutron" (Abkürzung für California University Cyclotron) zur Gewinnung des Uranisotops 235U (für Zwecke der Kernspaltung) aus natürlichem Uran und war führend am amerikanischen Atomenergieprojekt beteiligt. Nach ihm ist das Transuran mit der Ordnungszahl 103 benannt.

Quelle: Lexikon der Naturwissenschaftler, Spektrum-Verlag, Heidelberg, Berlin 2000

Das erste Zyklotron
(Durchmesser 9cm)

Gründe für die Erfindung des Zyklotrons

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde der Atomkern sehr intensiv erforscht, indem man ihn mit Teilchen beschoss, und sich dabei die Entdeckung oder Enstehung neuer Teilchen erhoffte. Es standen aber nur Teilchen mit Energien zur Verfügung, deren Möglichkeiten ausgereizt waren und man suchte nach Möglichkeiten, Teilchen weiter zu beschleunigen. Lawrence begann mit seinen Arbeiten 1928 an der University of California (Berkely). Etwa zu dieser Zeit wurde der Linearbeschleuniger erfunden, der allerdings schon für geringe Energien eine unpraktische Länge erreichte. Lawrence versuchte die Eigenschaft der Beschleunigung im elektrischen Feld, wie sie im Linearbeschleuniger verwendet wird, mit der kreisförmigen Ablenkung durch ein Magnetfeld zu kombinieren. Dieses von ihm 1930 erfundene Gerät nannte er Zyklotron und verbesserte es mehrere Male, so dass er schließlich in der Lage war mit einem Zyklotron mit einem Radius von 25cm Teilchen auf eine Energie von 1MeV zu beschleunigen. 1939 erhielt Lawrence den Nobelpreis für Physik nachdem er ein Zyklotron mit einen Durchmesser von 1,52 cm gebaut hatte, welches auch für medizinische Zwecke benutzt wurde. Mit dem Zyklotron legte Lawrence den Grundstein für die moderne Hochenergiephysik.

 

Röhrenfernseher

Die Entstehung des Fernsehbildes wird zunächst an einem Schwarz-Weiß-Bildschirm erklärt. Das Funktionsprinzip ist bei Farbbildschirmen aber ähnlich.

Bildentstehung beim Schwarz-Weiß-Fernsehen

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Abbildung 1: Ein Kreis links in normaler Ansicht und rechts stark vergrößert

Betrachtest du den Bildschirm aus größerer Entfernung (einige Meter), so hast du den Eindruck eines einzigen Bildes auf dem Fernseher. Gehst du jedoch mit einer Lupe sehr nahe an den Bildschirm, so kannst du sehen, dass das Bild aus lauter einzelnen Bildpunkten (Pixeln) mit einem bestimmten Grauton aufgebaut ist. Solche einzelne Bildpunkte kennst du vielleicht, wenn du dir am Computerbildschirm ein Bild mit hoher Vergrößerung anschaust, also ganz nah heranzoomst. Dann werden die einzelnen Bildpunkte wie in der Grafik rechts sichtbar.

Das Fernsehbild besteht also aus vielen einzelnen Bildpunkten, die erst gemeinsam das große Bild erkennen lassen.

Einzelne Bildpunkte leuchten unterschiedlich

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Auf einem RGB-Farbmonitor ist ein Mänchen zu erkennen. Durch starke Vergrösserung sind die einzelnen Subpixel sichtbar. Es ist erkennbar, das einzelne Pixel unterschiedlich stark leuchten.

Damit die einzelnen Bildpunkte leuchten können, ist die Fernsehröhre mit einer speziellen Leuchtstoffschicht überzogen. Diese wird mit Elektronen aus einer Elektronenkanone beschossen. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Leuchtstoffschicht leuchtet der getroffene Bildschirmpunkt auf. Wie hell er aufleuchtet hängt von der Intensität des Elektronenstrahls ab, die ihn trifft. Trifft ein sehr intensiver Elektronenstrahl auf die Leuchtstoffschicht, so erscheint der getroffene Punkt weiß. Trifft nur ein schwacher Elektronenstrahl auf die Leuchtstoffschicht, so erscheint der Punkt grau. Treffen keine Elektronen auf den Schirm bleibt dieser schwarz.

In Röhrenfernseher wurde die Strahlintensität mittels einer Elektrode innerhalb der Elektronenkanone geregelt.

In Abb. 2 treffen also im dunklen Bereich des Männchens keine Elektronen auf den Schirm, sondern nur um ihn herum in den weißen bzw. hellgrauen Bereichen

Aufbau eines Röhrenfernsehers

Abbildung 3: Schematischer Aufbau eines Röhrenfernsehers (schwarz-weiß)

Bezüglich der Strahlerzeugung sind Fernsehröhren ähnlich aufgebaut wie die schon bekannte braunsche Röhre. Die Strahlablenkung geschieht allerdings nicht durch geladene Metallplatten, sondern durch zwei gekreuzte Ablenkspulenpaare, die sich außerhalb der evakuierten Glasröhre befinden. Die Spulen haben gegenüber den Ablenkplatten den Vorteil, dass der Elektronenstrahl auch in den Randbereichen des Schirms präzise geführt werden kann (bessere Randschärfe).

Die Ablenkung des Elektronenstrahls durch das Magnetfeld der Spulen geschieht durch die Lorentzkraft. Beachte dabei, dass vertikal angeordnete Spulenpaar die Horizontalablenkung bewirkt. Das horizontal angeordnete Spulenpaar bewirkt die vertikale Ablenkung. Dies kannst du mit Hilfe der UVW-Regel der linken Hand überprüfen.

Farberzeugung am Röhrenfernseher

Abbildung 4: Ein Pixel aus rotem, grünem und blauem Subpixel

Beim Farbfernsehbildschirm gibt es keine einheitliche Leuchtschicht. Anstelle eines einzelnen Pixels, welches in einem bestimmten Grauton leuchtet, gibt es beim Farbfernseher drei kleinere, farbige Pixel. Diese kleineren Pixel nennt man auch Unterpixel oder Subpixel. Jeweils eines dieser Unterpixel ist rot, grün und blau. Exemplarisch ist in Abbildung 4 ein Pixel mit seinen drei Unterpixeln markiert.

5 Farbeindruck eines Pixels auf einem Bildschirm aufgrund der Farben der Subpixel

Da die Unterpixel sehr nahe beeinander liegen und du den Fernseher in der Regel aus einigen Metern Entfernung betrachtest, kannst du die einzelnen Unterpixel nicht voneinander unterscheiden. Dein Auge kann die einzelnen Lichtquellen räumlich nicht mehr auflösen und nimmt sie als eine einzige Lichtquelle wahr. So können aus den drei Unterpixeln in den Grundfarben durch additive Farbmischung alle erdenklichen Farben erzeugt werden.

Wie die Animation in Abb. 5 zeigt, entsteht bspw. durch das "addieren" von rot und grün (das rote und das grüne Unterpixel leuchten gleich hell, das blau Unterpixel gar nicht) die Farbe gelb. Wenn alle drei Unterpixel gleich hell leuchten erscheint dir der Bildschirm dort weiß. Weitere Farben entstehen, wenn man die Intensität einzelner Grundfarben variiert.

Die Intensität der einzelnen Grundfarbe wird analog zur Funktion beim schwrz-weiß-Fernsehen über die Intensität des Elektronenstrahls reguliert, der auf das entsprechende Unterpixel trifft.

Aufbau des Farbfernseher

Abbildung 6: Grundlegender Aufbau eines Farbfernsehers

Beim Farbfernseher gibt es im Gegensatz zum schwarz-weiß-Fernseher drei unterschiedliche Elektronenkanonen - jeweils eine Elektronenkanone für den Rotanteil (Rotauszug), den Grünanteil und den Blauanteil des Bildes. Die "rote" Kanone sendet allerdings keine roten Elektronen aus, sondern beschießt nur die roten Subpixel. Dabei wird sie vom sog. Rotauszug des Bildes gesteuert. Entsprechend verhält es sich mit den beiden anderen Kanonen.

Damit die drei Kanonen auch immer nur genau ein Pixel mit seinen drei Unterpixeln beschießen, befindet sich knapp vor dem Bildschirm eine Lochmaske mit vielen kleinen Schlitzen. Diese Schlitze sorgen dafür, dass immer nur ein Farbtripel "beschossen" wird.

Zeilenweiser Bildaufbau

Abbildung 7: Ablauf des zeilenweisen Bildaufbaus

Beim gewöhnlichen Fernseher erscheinen in der Sekunde 25 Bilder auf dem Schirm, so dass man den Eindruck eines kontinuierlichen Bewegungsablaufes bekommen kann.

Ein Bild besteht aus 625 Zeilen. Da die zuerst geschriebenen oberen Zeilen schon an Helligkeit verloren haben bis die unteren Zeilen geschrieben sind, würde man einen stark flimmernden Bildeindruck bekommen. Um dies zu vermeiden zielt man auf eine höhere Bildwechselfolge (z.B. 50 Bilder pro Sekunde).

Ein Vollbild mit 625 Zeilen wird in der Regel in zwei Halbbilder à 312,5 Zeilen aufgelöst, die zeilenweise ineinandergeschachtelt sind (in der Skizze rotes und blaues Halbbild).

Für die ersten dreizehn Zeilen ist der Ablauf genauer dargestellt:

Durch eine Sägezahnspannung wird der Strahl in der ersten Zeile "langsam" von links nach rechts gezogen, um dann "rasch" wieder auf die linke Seite zu springen.

Neben der Sägezahnspannung, die an den Spulen für die Horizontalablenkung anliegt, gibt es noch eine zweite Sägezahnspannung, welche an den Spulen für die Vertikalablenkung anliegt. Sie zieht den Elektronenstrahl kontinuierlich von oben nach unten. Beim Erreichen des unteren Bildschirmrandes springt der Strahl aufgrund dieser Spannung wieder in die oberste Zeile.

Um das oben erwähnte Flackern zu verhindern, werden zunächst - ausgehend von A - nur die rot dargestellten Zeilen mit ungerader Nummerierung geschrieben, bis Punkt B erreicht ist. Von dort springt der Strahl nach C und nun beginnt das Schreiben der Zeilen mit gerader Nummer (blaue Darstellung). Nach dem Erreichen von Punkt D beginnt das Beschreiben des nächsten Vollbildes. Für jedes Halbbild braucht der Strahl 1/50 s, so dass ein Vollbild nach der Zeit 1/25 s entstanden ist.

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