Basiswissen

Eine Elektronenkanone ist eine Anordnung, die gerichtete Elektronenstrahlen herstellt. Notwendige Bauelemente sind eine Glühkathode (-) und eine Anode (+). Zur Optimierung kommt oft noch ein Wehneltzylinder hinzu.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — ➀ Glühkathode ➁ Wehneltzylinder ➂ Anodenblende © Stündle (Wikimedia) ☛

Wirkungsprinzip

Erhitzt man Metall, treten - je nach Metallart - ab etwa 900 Kelvin freie Elektronen aus der Metalloberfläche aus. Diese haben aber noch keine besondere Geschwindigkeit. Befindet sich in einer Entfernung eine positiv geladene Platte, zieht diese die Elektronen jedoch an. Die freigesetzten Elektronen werden in Richtung der Platte beschleunigt. Hat die Platte an einer Stelle ein Loch, können beschleunigte Elektronen durch dieses Loch hindurchfliegen. Sie verlassen die Anordnung dann als gerichteteter Strahl. Siehe auch Edison-Richardson-Effekt ↗

Typische Beschleunigungsspannungen U

Die Spannungzwischen der Glühkathode und der Anodeplatte liegt für viele Laborversuche in der Größenordnung von 250 bis 300 Volt. Ab etwa 27 Tausend Volt erzeugen die beschleunigten Elektronen beim Auftreffen auf Metall Röntgenstrahlen.

Elektronengeschwindigkeit v

½·m·v = q·U - auf der linken Seite steht die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Elektrons, wenn es ein Spannung von U Volt durchlaufen hat. Das kleine q ist die Elementarladung und das m ist die Elektronenmasse. Man kann die Formel nach v umstellen. Lies dazu unter Beschleunigungsspannung ↗

Die Beschleunigung ist gleichmäßig

Wenn die Elektronen in einem homogenen elektrischen Feld beschleunigt werden, dann gilt die Beziehung F=qE. Dabei ist F die sogenannte Coulombkraft in Newton, q die Größe der elektrischen Ladung (etwa des Elektrons) in Coulomb und E die örtliche Stärke des elektrischen Feldes (z. B. in N/C). Nach dem zweiten Newtonschen Axiom F=ma ist die Beschleunigung a, die ein Körper mit konstanter Masse m erfährt, immer proportional zur resultierenden, von außen angreifenden Kraft. Für ein Elektron in einem homogenen elektrischen Feld ist diese Kraft konstant und damit ist auch die Beschleunigung konstant. Das heißt, es gilt zum Beispiel die Formel v=at: in immer gleichen Zeitdauern kommt auch immer die gleiche Menge an neuer Geschwindigkeit dazu. Siehe mehr unter gleichmäßig beschleunigte Bewegung ↗