Glühelektrischer Effekt

Meist wird Thomas Alva EDISON als der Entdecker der Glühemission bezeichnet. Tatsächlich scheinen vor ihm einige Wissenschaftler auf diesen Effekt gestoßen zu sein. Sie erreichten jedoch nicht den Bekanntheitsgrad EDISON und bleiben daher meist unerwähnt.

O. W. RICHARDSON, der für seine umfangreichen Untersuchungen und theoretischen Überlegungen zum glühelektrischen Effekt im Jahr 1928 den Nobelpreis erhielt, berichtet in seinem Nobel-Vortrag:

". . . . In 1873 Guthrie [Anm. von LEIFIphysik: Frederick Guthrie war ein englischer Physiker und Chemiker] showed that a red-hot iron ball in air could retain a negative but not a positive charge. In a series of researches extending from 1882 to 1889, Elster and Geitel [Anm. von LEIFIphysik: Julius Elster und Hans Friedrich Geitel waren zwei deutsche Gymnasiallehrer in Wolfenbüttel] examined the charge collected on an insulated plate placed near various hot wires in diverse gases at different pressures. The observed effects were very specific and varied, but there emerged a general tendency for the plate to acquire a positive charge at low temperatures and high pressures, and a negative charge at high temperatures and low pressures." . . .

Erst im Jahre 1899 erkannte man nach den Arbeiten von J.J. THOMSON, dass es sich bei den aus heißen Metallen - im Vakuum - austretenden negativen Ladungen um Elektronen handelt.

Bei seinen Arbeiten zur Entwicklung einer brauchbaren elektrischen Glühlampe hat EDISON den Glühelektrischen Effekt im Jahre 1880 "wiederentdeckt" (seitdem wird der Glühelektrische Effekt oft auch als EDISON-Effekt bezeichnet). Im Jahre 1880 meldete er das Patent zu seiner Glühlampe an. Dieses Leuchtmittel konnte sich - nach vielen Verbesserungen - bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts behaupten und stellt eine hervorragende Anwendung der Glühemission dar.

Bei Glühlampen wird der größte Teil der zugeführten elektrischen Energie in Wärme und nur ein sehr kleiner Teil in Lichtenergie (ca. 5%) gewandelt. Daher ersann man neue Leuchtmittel, wie z.B. die Leuchtstoffröhren oder die LED-Beleuchtung (LED: Light Emitting Diode).

Die theoretische Untersuchung der Glühemission geht zu einem erheblichen Teil auf Owen Willans RICHARDSON zurück. Daher bezeichnet man in der Wissenschaft die Glühemission auch als EDISON-RICHARDSON-Effekt.

Die Erfindung der Vakuumdiode

Der Brite John Ambrose FLEMING meldete 1905 die erste gut funktionierende Vakuumdiode zum Patent an. Zu dieser Zeit fanden die ersten Experimente zur Ausbreitung der von Heinrich HERTZ entdeckten elektromagnetischen Wellen statt. Einer der führenden Wissenschaftler auf diesem Gebiet war Guglielmo MARCONI, zu dessen Beratern FLEMING zählte. Mit Hilfe der von FLEMING entwickelten Röhre ("Fleming-Ventil") gelang es extrem schwache Radiosignale nachzuweisen.

Eine Vakuumdiode¹ besteht aus einem hochevakuierten Glaskolben, in den zwei Elektroden eingebaut sind (Kathode K und Anode A). Meist ist die Kathode beheizbar, so dass aus ihr aufgrund des Glühelektrischen Effektes Elektronen austreten. Wird die Anode durch eine Anodenspannungsquelle (Spannung \(U_a\)) gegenüber der Kathode positiv aufgeladen, so werden die von der Kathode emittierten Elektronen von A angezogen und es fließt der sogenannte Anodenstrom \(I_a\). Bei Umpolung der Anodenspannungsquelle (Anode negativ in Bezug zur Kathode) fließt kein Anodenstrom; dieses Verhalten einer Vakuumdiode ist die Grundlage der Anwendung der Diode zum Gleichrichten von Wechselströmen.

¹ Solche Dioden konnten erst entwickelt werden, als es - nach großen Fortschritten in der Vakuumtechnik - gelang, aus der Diode die Luft weitgehend auszupumpen. Erst dann konnten sich die Elektronen in der Diode ohne Zusammenstöße mit Luftteilchen ungehindert ausbreiten.

Die Erfindung der Vakuumtriode

Im Jahre 1906 meldete Lee DE FOREST eine Drei-Elektroden-Röhre zum Patent an. Neben der Kathode und der Anode war zwischen diesen beiden Elektroden noch eine dritte Elektrode - das sogenannte Gitter - angebracht. Wie der Name schon sagt handelt es sich bei der dritten Elektrode um ein Gitter, durch welches die von der Kathode zur Anode wandernden Elektronen hindurchtreten konnten. Durch eine verschiedenartige Vorladung des Gitters kann der Elektronenstrom von der Kathode zur Anode sehr effektiv beeinflusst werden (hierzu legt man eine Spannung, die Gitterspannung \(U_g\), zwischen Kathode und Gitter). Kleine Gitterspannungsschwankungen bewirken dann große Anodenstromschwankungen und diese wiederum eine große Schwankung der am Widerstand \(R\) abfallenden Spannung \(U_R\). Dies bedeutet, dass durch die Triode die Gitterspannungsschwankungen verstärkt werden können, die Triode wirkt also als Verstärker.

In der Folge wurden zahlreiche weitere Röhrentypen für die verschiedensten Einsatzbereiche entwickelt (z.B. die Pentode mit fünf Elektroden). Interessenten wird hier die sehr umfangreiche Seite über die Elektronenröhre bei Wikipedia empfohlen. Für den Alltag der Menschen spielten die sogenannten Audio-Röhren, welche in den aufkommenden Radioapparaten verwendet wurden, die größte Rolle. Aber auch in vielen Geräten, welche in der Wissenschaft benutzt wurden (z.B. Oszilloskop) waren die Röhren unentbehrlich. Ein neues Teilgebiet der Elektrizitätslehre war geboren, die Elektronik.

In der nebenstehenden Abbildung sind einige typische Radio-Röhren dargestellt. Deren Lebensdauer war wesentlich kürzer als die der heute verwendeten Halbleiter-Bauelemente. Nach einiger Zeit gelangte - wenn auch in geringer Menge - Luft in die hochevakuierten Röhren, was eine Beeinträchtigung von deren Funktion zur Folge hatte.

Mit der Erfindung des Transistors in den vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts verloren die Elektronenröhren an Bedeutung, sie werden heute nur noch für Sonderzwecke, z.B. sehr hochwertige Audio-Anlagen oder Instrumentenverstärker eingesetzt. Die Transistoren haben den Vorteil einer sehr kleinen Bauweise, sie sind gegen Erschütterungen unempfindlich und sie benötigen vor allen Dingen keine Heizung für die Glühemission an der Kathode. Müsste man alle Transistoren, die heute im Einsatz sind, durch Röhren ersetzen, bräuchte man eine nicht überschaubare Zahl von Kraftwerken, welche die elektrische Energie für die Kathodenheizungen liefern.

In der nebenstehenden Abbildung ist der Schaltplan eines nicht allzu aufwändigen Röhrenradios dargestellt. Neben den Bauelementen Widerstand, Spule und Kondensator findet man eine Reihe von Vakuumröhren, die zum Teil mehrere Gitter eingebaut haben. In modernen Radios werden die Funktionen all der dargestellten Bauteile durch einige wenige Halbleiterbausteine übernommen, die nur wenig Raum einnehmen und zu deren Betrieb nur ein Bruchteil der Energie benötigt wird, wie sie ein Röhrenradio bräuchte.