Glühkathode
Physik
Kurzinfo
Eine Glühkathode lässt Elektronen aus einem Metall austreten, indem das Metall erhitzt wird[1]. Die Mindesttemperaturen liegen oberhalb von 900 K und hängen stark vom Material der Oberfläche ab. Ein typisches Metall für eine Glühkathode ist Wolfram. Ein Beispiel ist der Einsatz in einer Leuchtstofflampe.
Funktionsprinzip
Die Funktion beruht auf dem sogenannten Edison-Richardson-Effekt (auch glühelektrischer Effekt, Glühemission, thermionische Emission) beschreibt die Aussendung von Elektronen[2] aus einer geheizten Glühkathode (meist im Vakuum). Die Elektronen überwinden aufgrund ihrer thermischen Energie die charakteristische Austrittsarbeit des Metalls bzw. der Oxidschicht. Werden die freien Elektronen nicht durch ein elektrisches Feld abgesaugt, bilden sie um die Glühkathode im Vakuum eine Raumladungswolke aus und laden in der Nähe befindliche Elektroden gegenüber der „Kathode“ negativ auf. Siehe auch Edison-Richardson-Effekt ↗
Was sind übliche Temperaturen?
Um die Temperatur möglichts niedrig zu halten, werden für die Kathodenoberfläche spezielle Materialien verwendet, die die Austrittsarbeit der Elektrone herabsetzen, sodass bei schon vergeichsweise niedrigen Temperaturen von 700 bis 800 Grad Celsius die gewünschte Menge an freien Elektronen entsteht.
Fußnoten
- [1] Der glühelektrische Effekt ist eine von mehreren Arten, wie Elektronen aus Metallen austreten können: "Many different physical stimuli can supply this energy, including thermal-energy (coined as “thermion” emission by Thomas Edison in 1880), photons (the photoelectric effect made famous by Einstein), ion or electron bombardment, and large electric fields, which, unlike the others, allow electron tunneling toward the vacuum". In: Trucchi DM, Melosh NA. Electron-emission materials: Advances, applications, and models. MRS Bulletin. 2017;42(7):488-492. DOI: doi:10.1557/mrs.2017.142
- [2] Dass die aus der Kathode ausgetretenen Elektronen bereits direkt nach dem Austritt eine nicht zu vernachlässigende Anfangsgeschwindigkeit haben, wird in einer Versuchsbeschreibung aus dem Jahr 1913 betont: "In einer früheren Arbeit haben wir zeigen können, daß die Ionisierungsspannung, also die Spannung, die ein Elektron frei durchlaufen haben muß, um durch Stoß ein Gasmolekül zu ionisieren, eine für jedes Gas
Methode war den von Lenard und von v. Baeyd benutzten ähnlich und bestand in der direkten Bestimmung des Beginns der Ionisation durch die
stoßenden Elektronen. Sie erforderte erhebliche Vorsichtsmaßregeln, wenn die Ergebnisse nicht durch elektrische Doppelschichten und durch die Anfangsgeschwindigkeit der vom verwandten Glühdraht ausgehenden Elektronen gefälscht werden sollten." In: Franck, J. and Hertz, G. (1967), Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben†. Phys. Bl., 23: 294-301. DOI: doi.org/10.1002/phbl.19670230702. Siehe auch Franck-Hertz-Versuch ↗
