Die Elektronenstrahl-Ablenkröhre
Schlagwörter: Elektronenstrahlablenkröhre, Elektronenstrahl, Ablenkung, eklektisches Feld, beschleunigte Elektronen, Elektronenkanone
Mithilfe der Elektronenstrahl-Ablenkröhre kann das Verhalten von Elektronenstrahlen im elektrischen Feld qualitativ und quantitativ untersucht werden.
Die Elektronenstrahl-Ablenkröhre besteht im Wesentlichen aus einem evakuierten Glaskolben. Im Glaskolben befinden sich eine Elektronenkanone und ein Kondensatorplattenpaar. Zwischen den Kondensatorplatten befindet sich ein fluoreszierender Schirm.
An die Elektronenkanone wird eine Heizspannung (grau) angelegt. Durch Glühemission bildet sich um die Heizkathode eine Elektronenwolke. Zwischen Kathode und Anode wird eine regelbare Beschleunigungsspannung UB (0 … 5000 V) angelegt. Wenn die Beschleunigungsspannung langsam erhöht wird, dann ist auf dem fluoreszierenden Schirm die Bahn der Elektronen zu erkennen.
An die Kondensatorplatten wird eine regelbare Ablenkspannung UC (0 … 5000 V) angelegt. Dadurch baut sich zwischen den Kondensatorplatten ein elektrisches Feld auf. Je nach Ausrichtung des Feldes, wird der Elektronenstrahl in Richtung der oberen- oder unteren Platte abgelenkt. In der hier verwendeten Röhre beträgt der Abstand der Platten 5,4 cm.
Beobachtungen qualitativ
Ist die obere Platte positiv geladen, dann wird der Elektronenstrahl in Richtung der oberen Platte abgelenkt. Elektronen sind negativ geladen. Die Elektronen werden von der unteren Platte abgestoßen und von der oberen Platte angezogen.
Je größer die Ablenkspannung UC, desto stärker wird der Strahl abgelenkt.
Je größer die Beschleunigungsspannung UB, desto weniger wird der Strahl abgelenkt.
Wenn die Polung der Platten vertauscht wird (oben negativ, unten positiv), dann wird der Strahl nach unten abgelenkt.
Die folgende Animation zeigt die Ablenkung des Elektronenstrahls. In der Animation können die Beschleunigungsspannung und die Ablenkspannung variiert werden.
Die Bahn der Elektronen erinnert an die Bahn einer Kugel beim waagerechten Wurf. Beim waagerechten Wurf haben wir die Bewegung der Kugel in 2 Komponenten (x-Komponente und y-Komponente) zerlegt. ►Superpositionsprinzip
- x-Komponente: gleichförmige Bewegung
- y-Komponente: beschleunigte Bewegung
Aus der Überlagerung einer gleichförmigen Bewegung in x-Richtung und einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung in y-Richtung ergibt sich eine parabelförmig Bahnkurve.
Geschwindigkeit der Elektronen
Die Elektronen werden im Wehnelt Zylinder (Elektronenkanone) beschleunigt und verlassen diesen mit der Geschwindigkeit vx. Dabei wird elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt.
Die Elektronen tragen die Ladung q = e. Die Elektronen haben die Masse me.
Beispielrechnung
Die Beschleunigungsspannung UB betrage 500 V. Die 10 cm langen Kondensatorplatten haben einen Abstand von 5,4 cm. Gesucht sei die Ablenkspannung UC, bei der der Elektronenstrahl auf das Ende der oberen Platte trifft.
Die Elektronen werden im Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Die Elektronen verlassen die Elektronenkanone mit der konstanten Geschwindigkeit vx. Dabei wird elektrische Energie Eel in Bewegungsenergie Ekin umgewandelt. Die Elektronen haben die Masse me und tragen die Ladung q=e.
Welche Zeit benötigen die Elektronen, um das elektrische Feld (Plattenlänge sx = 10 cm) zu passieren? (vgl. Analogie zum waagerechten Wurf)
Die Elektronen der Masse me werden im elektrischen Feld in y-Richtung beschleunigt. Die Beschleunigung ay muss so groß sein, dass in der Zeit t die Strecke d/2 zurückgelegt wird.
Damit die Elektronen mit der Kraft Fel beschleunigt werde können, müssen sie sich im elektrischen Feld der Stärke E befinden.
Damit der Elektronenstrahl auf das Plattenende trifft, muss an den Kondensatorplatten eine Spannung von 290V anliegen. Damit der Strahl nach oben abgelenkt wird, muss die obere Platte positiv geladen sein.
Der ungenaueste Ausgangswert (d=5,4cm) ist mit 2 signifikanten Stellen gegeben. Damit kann das Ergebnis nicht genauer als mit 2 signifikanten Stellen angegeben werden.