Glühelektrischer Effekt

In einem Metall sind die äußeren Elektronen nicht an einzelne Atome gebunden, sondern bewegen sich frei zwischen den ortsfesten Atomrümpfen — deshalb leitet Metall den Strom so gut. Frei heißt aber nur: frei innerhalb des Metalls. An der Oberfläche hält das positive Gitter die Elektronen zurück; wer hinaus will, muss Arbeit gegen diese Anziehung verrichten.

• Freie Elektronen:Im Metall beweglich, aber an der Oberfläche durch die Anziehung der Atomrümpfe gebunden.
• Austrittsarbeit \(W_\text{A}\):Die Mindestenergie, die ein Elektron braucht, um die Metalloberfläche zu verlassen.
• Größenordnung:Je nach Material etwa 2 eV bis 5 eV, also \(3\cdot10^{-19}\,\mathrm J\) bis \(8\cdot10^{-19}\,\mathrm J\).
• Energiequelle:Diese Energie muss von außen kommen — durch Licht (Fotoeffekt) oder durch Wärme (glühelektrischer Effekt).

Erhitzt man einen Metalldraht auf etwa 1000 °C bis 2500 °C, so wächst die ungeordnete Wärmebewegung der Elektronen stark an. Ein kleiner Teil von ihnen hat dann genug Energie, um die Austrittsarbeit zu überwinden und das Metall zu verlassen. Dieser Vorgang heißt glühelektrischer Effekt (auch Edison-Richardson-Effekt), der glühende Draht heißt Glühkathode.

• Ursache:Thermische Energie ersetzt die fehlende Austrittsarbeit — nicht ein elektrisches Feld.
• Temperatur:Je heißer die Kathode, desto mehr Elektronen treten je Sekunde aus; der Zusammenhang ist sehr steil.
• Material:Wolfram, oft mit Oxidschicht, weil dadurch die Austrittsarbeit sinkt.
• Vakuum:Nötig, damit die Elektronen nicht sofort mit Luftmolekülen zusammenstoßen — und damit der Draht nicht verbrennt.
• Raumladungswolke:Ohne äußeres Feld bleiben die ausgetretenen Elektronen als negative Wolke dicht vor der Kathode und halten weitere Elektronen zurück.

Der glühelektrische Effekt liefert die Elektronen, das elektrische Feld gibt ihnen die Geschwindigkeit. Dazu stellt man der Glühkathode eine durchbohrte Anode gegenüber und legt zwischen beide die Beschleunigungsspannung \(U_\text{B}\). Die Elektronen werden zur Anode hin beschleunigt; ein Teil fliegt durch das Loch und bildet dahinter einen scharf gebündelten Elektronenstrahl.

Die Rechnung ist die bekannte Energiebilanz aus Kapitel 1.2.1: Die vom Feld verrichtete Arbeit \(W=e\,U_\text{B}\) steckt anschließend vollständig in der kinetischen Energie des Elektrons. Die kleine Startgeschwindigkeit aus der Wärmebewegung wird dabei vernachlässigt.

Die Anordnung aus Glühkathode und Anode ist zugleich die einfachste Elektronenröhre — eine Diode. An ihr lassen sich zwei Beobachtungen machen, die für das Verständnis wichtiger sind als jede Formel.

• Einbahnstraße:Nur die geheizte Kathode gibt Elektronen ab. Polt man die Spannung um, fließt kein Strom — die Röhre leitet nur in einer Richtung.
• Sättigungsstrom:Erhöht man \(U_\text{B}\) immer weiter, steigt der Strom nicht unbegrenzt: Irgendwann werden alle austretenden Elektronen abgesaugt. Mehr Strom gibt es dann nur über eine heißere Kathode.
• Zwei getrennte Spannungen:Die Heizspannung bestimmt, wie viele Elektronen austreten, die Beschleunigungsspannung, wie schnell sie werden. Beide werden gern verwechselt.

Zwei Regler, zwei Wirkungen: Die Kathodentemperatur bestimmt, wie viele Elektronen je Sekunde austreten, die Beschleunigungsspannung, wie schnell sie werden. Wird die Kennlinie flach, hilft nur noch Heizen.

Halte fest: Die Heizung legt den Sättigungsstrom fest, die Beschleunigungsspannung die Geschwindigkeit — ist die Kennlinie flach, bringt mehr Spannung mehr Tempo, aber kein einziges Elektron mehr.

Damit ist die Elektronenquelle fertig. Was mit dem Strahl danach geschieht — bündeln, ablenken, sichtbar machen — ist das Thema der Braunschen Röhre im nächsten Unterkapitel.