Materialien zum Unterricht

Myas Welt der Physik: Mya und die Flimmerkiste – die Elektronenstrahlröhre

Mitten im Fußballspiel macht Myas Röhrenfernseher „Myavision Color 70“, ein Flohmarktschatz für ihre Retro-Spielekonsole, nur noch Pffft. Der Bildschirm bleibt schwarz, Kater Erwin ist beleidigt, denn er hat immer so gern nach dem Ball auf der Mattscheibe gehauen. „Kein Problem“, sagt Mya, „ich bin Elektromeisterin. Im Keller steht noch eine Elektronenstrahlröhre aus der Schulsammlung. Daran erkläre ich euch, wie so ein Fernseher funktioniert.“ Theo und Paul helfen, Lumi will unbedingt der Leuchtfleck sein. Und zwei neue Bekannte sind auch dabei: das flinke Elektron Elli und das gemütliche Proton Pummel.

Physik Klasse 11 (Leistungskurs). Die Sprüche sind albern, die Zahlen nicht: Alle Bahnen werden mit e = 1,602 · 10−19 C und me = 9,11 · 10−31 kg exakt berechnet. Mit Profi markierte Teile gehen etwas weiter. Grundlagen gibt es auf den Seiten Elektrische Felder, Kondensator und Millikan-Versuch.

Myas Sicherheitsregel: Einen Röhrenfernseher niemals öffnen! Auch ausgesteckt kann die Röhre noch lange auf über 20 000 V geladen sein, und das Glas steht unter mehreren Tonnen Luftdruck. Mya schraubt nur in der Simulation. Schulröhren werden nur mit der Lehrkraft angeschlossen.

Station 1: Aufbau – was steckt in der Röhre?

Tippe die Bauteile an und lies, wozu sie da sind. Schalte dann die Heizung und die Anodenspannung ein und beobachte, was passiert. Probiere auch den Wehnelt-Regler und Myas gefährliches Luftventil aus.

Myas Schaltpult
−20 V

Spannung des Wehneltzylinders gegenüber der Kathode.

Teile-Suche

Paul nennt ein Bauteil, du tippst es an.

Aufträge: ① Warum kommt ohne Heizung kein einziges Elektron aus der Kathode? ② Was bewirkt der Wehneltzylinder? Stelle −2 V, −20 V und −55 V ein und beschreibe den Leuchtfleck. ③ Erkläre, was beim Öffnen des Luftventils passiert und warum die Röhre luftleer sein muss.

Station 2: Beschleunigung im Längsfeld

Zwischen Kathode und Anode (Abstand d = 2,0 cm) liegt die Beschleunigungsspannung UB. Das elektrische Feld zeigt längs der Flugrichtung, deshalb heißt es Längsfeld. Mya veranstaltet ein Wettrennen: Elektron Elli gegen Proton Pummel (für Pummel hat Mya die Platten umgepolt). Lumi startet auch. Lumi ist allerdings ungeladen. Alles läuft in extremer Zeitlupe: Im Original dauert das Rennen nur Milliardstel Sekunden.

Feldstärke–
Beschleunigung–
Endgeschw.–
Flugzeit–
Energie–
Beschleunigungsspannung
1.000 V

Profi Mya dreht auf:

Rennen

Zeitlupe: 1 Sekunde im Bild entspricht …

Aufträge: ① Begründe mit dem Energieerhaltungssatz: e · UB = ½ m v². ② Wie ändert sich v, wenn du UB vervierfachst? Prüfe am Diagramm. ③ Pummel bekommt dieselbe Energie wie Elli. Warum ist er trotzdem 43-mal langsamer? ④ Profi Was stimmt bei 1 MV mit der klassischen Rechnung nicht?

Station 3: Ablenkung im Querfeld

Nach der Anode fliegt der Strahl mit v0 zwischen die Ablenkplatten (Länge l = 5,0 cm, Abstand d = 2,0 cm). Dort zeigt das Feld quer zur Flugrichtung. Die Elektronen fliegen deshalb auf einer Parabel, genau wie ein waagerecht geworfener Ball. Hinter den Platten geht es geradeaus weiter bis zum Schirm (Abstand L = 20 cm ab Plattenmitte). Kater Erwin sitzt vor dem Schirm und jagt den Leuchtfleck.

v0–
Zeit in Platten–
Austritt y1–
Winkel α–
Schirm Y–
Spannungen
1.000 V
0 V
0 V

Uy > 0: obere Platte positiv. Ux > 0: rechte Platte positiv (gleiche Maße wie die Y-Platten).

Oszilloskop-Betrieb
Erwins Fliegenjagd

Eine Fliege landet auf dem Schirm. Lenke den Fleck mit Ux und Uy genau auf sie, dann schlägt Erwin zu. Erst rechnen, dann einstellen!

Messreihe: Ablenkung Y am Schirm

Nr.UB in VUy in VUy/UBY in cm

Aufträge: ① Miss Y für verschiedene Uy bei festem UB, dann für verschiedene UB bei festem Uy. ② Warum liegen alle Punkte auf einer Geraden, wenn man Y über Uy/UB aufträgt? ③ Vergleiche die Steigung mit l · L / (2d). ④ Bei welcher Spannung trifft der Strahl die Platte? ⑤ Profi Schicke Pummel. Was ändert sich, was nicht?

Station 4: Zeitreise – von leuchtenden Glasröhren zum Fernseher

Mya kennt die Geschichte der Röhre angeblich auswendig. Behauptet sie jedenfalls. Tippe dich durch die Jahre.

Ganz unten auf der Seite wartet Myas Geschichten-Quiz „Wahr oder geflunkert?“.

Station 5: Elektronenstrahlen heute

Röhrenfernseher stehen heute nur noch bei ein paar Retro-Spielefans wie Mya. Elektronenstrahlen aber sind überall: in der Klinik, im Labor und in der Fabrik. Wähle ein Gerät.

Anwendung

Außerdem: Elektronenstrahl-Lithografie (Masken für Computerchips), Elektronenstrahl-Verdampfen (Beschichtungen für Brillengläser und Optik) und in der Schule das Fadenstrahlrohr zur Bestimmung von e/m.

Station 6: Rechne selbst

Tipps

  • Längsfeld: e · UB = ½ m v0² → v0 = √(2eUB / m).
  • Querfeld: t = l / v0, a = eUy / (md), y1 = ½ a t².
  • Schirm: Y = Uy · l · L / (2 d UB), L ab Plattenmitte.
  • e = 1,602 · 10−19 C, me = 9,11 · 10−31 kg, 1 eV = 1,602 · 10−19 J.
Merke – die Elektronenstrahlröhre (braunsche Röhre):
  • Aufbau: In einem luftleeren Glaskolben sitzt die Elektronenkanone aus Glühkathode (mit Heizwendel), Wehneltzylinder und Anode. Danach folgen Y- und X-Ablenkplatten und der Leuchtschirm. Die Kathode setzt durch Glühemission Elektronen frei. Der negativ geladene Wehneltzylinder bündelt den Strahl und regelt die Helligkeit. Das Vakuum verhindert Zusammenstöße mit Luftmolekülen.
  • Längsfeld: Zwischen Kathode und Anode gewinnt ein Elektron die Energie Ekin = e · UB (unabhängig vom Abstand d). Aus ½ m v0² = e UB folgt v0 = √(2eUB / m), also v0 ~ √UB. Einheit: 1 eV = 1,602 · 10−19 J ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen von 1 V gewinnt.
  • Querfeld: Zwischen den Ablenkplatten wirkt die konstante Kraft F = e · Uy / d senkrecht zur Flugrichtung. Wie beim waagerechten Wurf gilt x = v0 t und y = ½ a t² mit a = eUy / (md). Bahngleichung: y = Uy · x² / (4 d UB), eine Parabel. Hinter den Platten fliegt das Elektron geradlinig weiter.
  • Ablenkung am Schirm: tan α = Uy · l / (2 d UB) und Y = Uy · l · L / (2 d UB) (L von der Plattenmitte bis zum Schirm). Y ist proportional zu Uy und umgekehrt proportional zu UB. Ladung und Masse kürzen sich heraus: Jedes Teilchen mit derselben Ladungsgröße nimmt bei gleichen Spannungen dieselbe Bahn (nur das Vorzeichen bestimmt die Richtung).
  • Oszilloskop: Eine Sägezahnspannung an den X-Platten lässt den Fleck gleichmäßig von links nach rechts laufen (Zeitablenkung). Die Messspannung an den Y-Platten bestimmt die Höhe. So zeichnet der Fleck U(t).
  • Die Gewichtskraft spielt keine Rolle: Die elektrische Kraft ist rund 1014-mal größer.
  • Profi Ab einigen 10 kV muss relativistisch gerechnet werden: eUB = (γ − 1) m c². Die Energie wächst beliebig, die Geschwindigkeit bleibt unter c.

Teste dich

Zum Schluss: Wahr oder geflunkert?

Mya hat in Station 4 und 5 viel erzählt. Ein paar Dinge hat sie aber dazuerfunden. Welche?