Glühelektrischer Effekt

Elektrizitätslehre

Glühelektrischer Effekt

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

Aufbau und Durchführung

Abb. 2
Abb. 1

Der glühelektrische oder EDISON-Effekt kann gut mit einer Vakuumdiode demonstriert werden. In dem evakuierten Glaskolben befindet sich eine Glühwendel (Kathode) und ein Auffänger (Anode), welcher der Glühwendel gegenübersteht. Der Auffänger wird mit einem Elektroskop verbunden.

 

Es bieten sich zwei Versuchsmöglichkeiten an:

1. Man lädt das Elektroskop mittels eines geriebenen Hartgummistabes (oder der Vebindung mit dem Minus-Pol einer Hochspannungsquelle) negativ auf und schaltet dann den Strom durch die Glühwendel ein.

2. Man lädt das Elektroskop mittels eines geriebenen Glasstabes (oder der Vebindung mit dem Plus-Pol einer Hochspannungsquelle) positiv auf und schaltet dann wieder den Strom durch die Glühwendel ein.

Beobachtung

 

3 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zum EDISON-Effekt mit einer Diode und einem negativ aufgeladenen Elektroskop

Bei negativer Aufladung des Elektroskops ändert sich dessen Ausschlag nicht, wenn der Strom durch die Heizwendel eingeschaltet wird.

4 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zum EDISON-Effekt mit einer Diode und einem positiv aufgeladenen Elektroskop

Bei positiver Aufladung des Elektroskops geht der Ausschlag des Elektroskops zurück, wenn der Strom durch die Heizwendel eingeschaltet wird.

Erklärung

Ist der Auffänger negativ geladen, so werden die von der Glühwendel ausgesandten Elektronen vom Auffänger abgestoßen. Der Ausschlag am Elektroskop bleibt bestehen.

Ist der Auffänger positiv geladen, so werden die von Glühwendel ausgesandten Elektronen vom Auffänger angezogen. Die positiven Ladungen am Elektroskop werden durch die Elektronen neutralisiert, der Ausschlag geht zurück. (Man könnte auch sagen: Der Elektronenmangel am Elektroskop wird durch die auftreffenden Elektronen beseitigt).

Das Versuchsergebnis stützt also die These, dass von der Glühwendel Elektronen ausgesandt werden.

Aufbau und Durchführung

Abb. 2
Abb. 1

Eine Vakuumdiode besteht aus einer beheizbaren Kathode und einer Anode. Unter der Kennlinie dieser Diode versteht man das Ua-Ia-Diagramm. Es zeigt sich, dass der Kennlinienverlauf auch davon abhängt, wie groß der Heizstrom Ih durch die Kathode ist.

Beobachtung

Abb. 3

Ist die Spannung Ua = 0 V, so fließt schon ein geringfügiger Anodenstrom.

Erst bei kleinen negativen Anodenspannungen geht der Strom jeweils auf den Wert Null.

Erklärung

3 Aufbau, Durchführung, Beobachtung und Erklärung des Versuchs zur Aufnahme der Kennlinie einer Vakuumdiode

Einfluss der Anodenspannung auf den Anodenstrom

Ist die Spannung Ua = 0 V, so fließt bereits ein geringfügiger Strom. Bei der Glühemission bekommen einige Elektronen offensichtlich so viel kinetische Energie, dass sie die Anode erreichen können. Erst wenn die Anodenspannung kleine negative Werte annimmt, gelangen keine Elektronen mehr zur Anode. In diesem Fall bildet sich um die Glühwendel eine Elektronenwolke (negative Raumladungswolke) die mit zunehmender Anodenspannung abgebaut wird.

Die Raumladungswolke ist auch dafür verantwortlich, das bei positiver Anodenspannung der Strom nicht sofort seinen maximalen Endwert erreicht. Allerdings wird diese Ladungswolke mit zunehmender Anodenspannung abgebaut und immer mehr Elektronen erreichen die Anode (steiler Stromanstieg).

Ab einer gewissen Spannung Us (Sättigungsspannung) nimmt der Anodenstrom trotz Steigerung der Anodenspannung kaum mehr zu. Man sagt, der Anodenstrom hat seinen Sättigungswert erreicht. In diesem Fall gelangen alle durch Glühemission erzeugten Elektronen zur Anode.

Einfluss des Heizstroms auf den Anodenstrom

Je höher der Heizstrom ist, desto größer ist auch der Anodenstrom (bei gleicher Anodenspannung). Ein höherer Heizstrom verursacht eine höhere Temperatur der Glühwendel. Dadurch werden mehr Elektronen "abgedampft", der Sättigungsstrom steigt an.

Teilversuch 1

Aufbau und Durchführung

Eine Dreiecksglimmlampe wird über einen Transformator - damit die Spannung höher als die Zündspannung der Glimmlampe ist - an einen Sinusgenerator angeschlossen, dessen Frequenz langsam genug ist, um den Polwechsel an der Glimmlampe verfolgen zu können.

Beobachtung

2 Aufbau und Beobachtungen des 1. Teilversuchs zum Nachweis der Gleichrichterwirkung der Vakuumdiode

Teilversuch 2

Aufbau und Durchführung

 

Schaltet man in den Glimmlampenkreis eine Diode - im reellen Versuch wurde eine Triode zur Diode geschaltet - so ergibt sich ein anderes Bild.

Beobachtung

4 Aufbau und Beobachtungen des 2. Teilversuchs zum Nachweis der Gleichrichterwirkung der Vakuumdiode
Aufgabe

Beschreibe die in den beiden Animationen in den Abb. 2 und 4 dargestellten Beobachtungen und erläutere diese.

Lösung

Eine Dreiecksglimmlampe zeigt Leuchterscheinungen an der Elektrode aus der Elektronen austreten. Das Austreten geschieht ab einer Zündspannung von ca. \(80\,\rm{V}\). Die beiden Elektroden leuchten abwechselnd auf, d.h. es fließt ein Wechselstrom.

Mit aktiver Diode leuchtet von der Glimmlampe nur die mit der Anode verbundene Elektrode während einer Halbperiode. Es fließt also nur während einer Halbperiode ein Strom von der Glühkathode zur Anode, in der anderen Halbperiode fließt kein Strom.

Vorversuch

Aufbau, Durchführung und Beobachtung

1 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Vorversuchs zum Nachweis der Gleichrichterwirkung einer Vakuumdiode mit einem Strommesser

Die Animation in Abb. 1 zeigt den Aufbau, die Durchführung und die Beobachtungen des Vorversuchs zum Nachweis der Gleichrichterwirkung der Vakuumdiode.

Hauptversuch

Aufbau und Durchführung

In der dargestellten Versuchsanordnung dient eine niederfrequente sinusförmige Wechselspannung als Anodenspannung. Der Verlauf von Anodenspannung und Anodenstrom an der Vakuumdiode wird durch flinke Messinstrumente dargestellt.

Fertige zunächst ein Schaltbild der Versuchsanordnung. Skizziere dann in ein Diagramm den zeitlichen Verlauf von Anodenstrom und Anodenspannung. Gib eine möglichst anschauliche Erklärung der Beobachtung.

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