Glühelektrischer Effekt

Elektrizitätslehre

Glühelektrischer Effekt

  • Kann man Ladungen aus Leitern herausholen?
  • Was versteht man unter einer Elektronenkanone?
  • Wie macht man freie Elektronen sichtbar?

Durch Beheizen einer im Vakuum befindlichen Glühwendel (Aufheizung der Wendel bei Stromfluss) gelingt es, Elektronen ins Vakuum zu bringen. Man nennt diesen Effekt Glühelektrischen Effekt oder nach seinem Entdecker EDISON-Effekt.

Bei seinen Experimenten zur Verbesserung der Glühlampe entdeckte 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)

Mit der nebenstehenden Röhre gelang EDISON zweifelsfrei der Nachweis dieses Effektes.

Man kann die Elektronenemission einer beheizten Glühwendel 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 man nun die Flüssigkeit, dann haben einige Wassermoleküle soviel kinetische Energie, dass sie trotz der rücktreibenden Kräfte die Flüssigkeit verlassen können. Ähnlich kann man sich 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 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 durch den Strommesser.

 

Detaillierter sehen die Vorgänge auf atomarer Ebene folgendermaßen aus:

  • keine Heizspannung an der Wendel;
  • leichte thermische Bewegung der Atomrümpfe (rot);
  • regellose fast freie Bewegung der Leitungselektronen (blau);
  • kleine Heizspannung an der Wendel;
  • die Bewegung der Atomrümpfe (rot) wird stärker;
  • regellose fast freie Bewegung der Leitungselektronen; die schnellen Elektronen können das Metall verlassen;
  • Beginn des Aufbaus einer negativen Raumladungsschicht um die Wendel;
  • größere Heizspannung an der Wendel;
  • die Bewegung der Atomrümpfe (rot) wird noch stärker;
  • regellose fast freie Bewegung der Leitungselektronen; immer mehr schnelle Elektronen können das Metall verlassen;
  • Volle Ausbildung der negativen Raumladungsschicht um die Wendel;
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