Kathodenstrahlröhre

Eine Kathodenstrahlröhre besaß vor 30 Jahren noch fast jeder in seiner Wohnung in Form eines Röhrenfernsehers. Elektronen werden aus einem Glühdraht emittiert und dann mittels Hochspannung beschleunigt. Dort wo sie auf dem Fluoreszenzschirm auftreffen, erzeugen sie Licht. Möchte man die Elektronen wie beim Röhrenfernseher auch gezielt ablenken, benötigt man entweder ein Magnetfeld (Stichwort Lorentzkraft) oder ein elektrisches Feld. Hier soll es um das Verhalten von bewegten Elektronen im elektrischen Feld gehen.

Ub ist die Beschleunigungsspannung und Ua die an den Ablenkplatten anliegende Spannung. Die elektrische Spannung U zwischen zwei Punkten entspricht ja der Arbeit pro Ladungseinheit. Durchlaufen die Elektronen diese Spannung, so gewinnen sie Energie in Form von Bewegungsenergie. Die horizontale Geschwindigkeit lässt sich sehr leicht mittels der Beschleunigungsspannung ermitteln:

Was passiert aber nun im elektrischen Feld zwischen den beiden Ablenkplatten (entsprechen einem Plattenkondensator)? Hierfür eine Skizze:

Im elektrischen Feld spüren die Elektronen eine vertikale Kraft, welche sie in y-Richtung beschleunigt. Daraus ergibt sich eine gekrümmte Flugbahn, genauer eine Parabel.

Außerhalb des Kondensators bewegen sich die Elektronen wieder geradlinig. Um den Steigungswinkel α zu bestimmen, muss man einfach die Parabelgleichung ableiten und die erste Ableitung dy/dx = y’ an der Stelle x0 berechnen, also y'(x0).

Wie man sieht, hängt der Steigungswinkel nicht mehr von der spezifischen Elektronenladung e/me ab. Dieser Aufbau gestattet also im Gegensatz zur Ablenkung im Magnetfeld nicht die Bestimmung von e/me.

Je größer die Beschleunigungsspannung Ub und je kleiner die Ablenkspannung Ua, desto geringer ist der Ablenkwinkel α.

Der Ablenkwinkel kann auch noch auf eine andere Art bestimmt werden, indem die Geschwindigkeitskomponenten vx und vy berechnet werden:


Experiment

Auf aliexpress werden sehr günstig Elektronenstrahlröhren angeboten. Meine mit Ablenkplatten kostet inkl. Versand nur 60 Euro.

Für die Beschleunigungsspannung im Bereich von ca. 4 kV habe ich ein kleines Hochspannungsmodul mitbestellt. Dieses wird mit einem 12V-Netzteil und nachfolgenden Step-down-Modul betrieben. Diese Spannung bleibt dann während des gesamten Versuchs unverändert.

 

Für die Ablenkplatten benötige ich eine variable Spannung im Bereich [0, 800V]. Daher werde ich wie so oft einen CCFL-Inverter benutzen, den ich mit einer variablen Spannung steuere. Angezeigt wird die Ablenkspannung mittels 1000V-Panelmeter.

Die Schaltung für die variable Spannung der Ablenkplatten ist soweit fertig. Am Ausgang des LM317 habe ich drei 1N4001 Dioden in Serie geschaltet, damit die Ausgangsspannung auch wirklich bei 0 V beginnt und nicht schon bei 1.25 V. So erhalte ich am HV-Ausgang Spannungen zwischen 0 und 800 V wie gewünscht.

Die Hochspannungsmodule sind aus China eingetroffen und ich konnte sie gleich testen. Eines davon eignet sich bestens für die Beschleunigungsspannung der Kathodenstrahlröhre. Ich habe jetzt einmal 4 kV eingestellt.

Das HV-Netzteil für die Ablenkplatten ist auch fertig, da gestern auch das 1000V-Panelmeter eingetroffen ist. Das 1 kΩ-Potentiometer am LM317 stelle ich so ein, dass ich mit dem voll aufgedrehten 2.2 kΩ-Potentiometer die maximale Spannung von 1000 V nicht überschreite.

Die Kathodenstrahlröhre ist dank einer vorbildlichen Verpackung unbeschadet bei mir eingetroffen. Den Verkäufer der Röhre kann ich also wärmstens empfehlen, hier der Link: https://de.aliexpress.com/item/4000376086482.html.

Obwohl es eigentlich mein Weihnachtsgeschenk von mir an mich selbst ist, konnte ich natürlich der Versuchung nicht widerstehen, die Röhre gleich zu testen. Sie funktioniert zum Glück ohne Probleme:

Heute erfolgte dann die Messung des Ablenkwinkels α in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung Ua. Obwohl die tatsächliche Beschleunigungsspannung 4 kV betrug, darf ich in die Formel nur 1.5 kV eintragen um eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie zu erzielen. Dies ist aber auch nachvollziehbar, da sich der Ablenkkondensator ja bei rund 1/4 der Beschleunigungsstrecke befindet und die Elektronen am Ort des Kondensators noch nicht die volle Geschwindigkeit besitzen. So angepasst stimmen die beiden Geraden sehr gut überein…

Jetzt fehlt nur noch der schöne Aufbau auf einer Holzplatte. Wenn dieser finalisiert wurde, gibt es hier Bilder davon. Das Youtube-Video reiche ich natürlich auch noch nach…