Basiswissen

Aus einer Kathode treten Elektronen aus und werden dann als Strahl von Magnetfeldern und elektrichen Feldern gezielt abgelenkt. Das ist die Grundidee einer Kathodenstrahlröhre, auch Elektronenstrahlröhre oder Braunschre Röhre genannt. Das ist hier kurz vorgestellt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Der Aufbau einer klassischen Kathodenstrahlröhre © FischX, Interiot, Theresa Knott ☛

1897: die Erfindung

Bereits im Jahr 1897 - der erst Weltkrieg lag noch 17 Jahre in der Zukunft - entwickelt der aus Fulda in Hessen stammende Ferdinand Braun (1850 bis 1918) die Elektronstrahlröhre. Aus einem elektrisch negativen Metallstück trat etwas aus, das man mit elektrischen und magnetischen Feldern zu einem Strahl bündeln und gezielt ablenken konnte. Woraus dieser Strahl bestand (Elektronen) wusste Braun noch nicht. Das Gerät nannte man damals Braunsche Röhre und die noch unbekannte Art der Strahlung Kathodenstrahlung ↗

1925: Aufbau und Bedeutung

Man nimmt einen elektrischen Stromkreis, unterbrich ihn an einer Stelle durch eine Lücke, umgibt die Lücke mit einem gläsernen Gefäß mit einem Vakuum im Inneren: das Ergebnis ist mehr oder minder eine Kathodenstrahlröhre:

ZITAT:

"Kathodenstrahlen entstehen, wie bekannt, wenn man einen von einem elektrischen Strom durchflossenen Metalldraht durch eine Ampulle unterbricht, in der man ein fast vollständiges Vakuum erzeugt hat. Diese Strahlen, die von einem Ende der Ampulle ausgehen, treffen auf das andere Ende und machen es fluoreszierend und zum Aussender der berühmten Röntgenstrahlen. Wir wissen heute, dass diese Kathodenstrahlen in Wirklichkeit ein Strom von materiellen Teilchen sind, die negativ elektrisch geladen sind und deren Masse fast zweitausendmal kleiner ist als die eines Wasserstoffatoms. Diese mikroskopischen Geschosse, die Elektronen genannt werden, stürzen aus der Kathode heraus und bombardieren das andere Ende der Ampulle und versetzen es in ultrarapide Schwingungen, die den Äther erschüttern, wodurch Fluoreszenz und Röntgenstrahlen entstehen. Daraus folgt notwendigerweise, dass jedes Atom, weit davon entfernt, unteilbar zu sein, Elektronen enthält, deren Masse im Vergleich zu seiner Gesamtmasse unbedeutend ist und die ihm entrissen werden können."^[1]

Die Kathodenstrahlung, zusammen mit der radioaktiven Strahlen, lieferte schon früh einen Hinweis darauf, dass die Atome nicht die letztendlich unteilbaren Grundbausteinde der Materie sein konnten.

Bis in die 1930er Jahre

Bereits im Jahr 1906 soll der Physiker Max Dieckmann (1882 bis 1960) als Assistent von Professor Braun vorgeschlagen haben, dass man mit der Röhre Bilder erzeugen könne. Im Jahr 1926 baute der Japaner Takayanagi Kenjirō (1899 bis 1990) dann den ersten vollelektronischen Fernseher. Stark weiter entwickelt wurde die Technik dann von dem Autodidaktier und Ausnahmetalent Manfred von Ardenne ↗

Technische Merkmale einer Kathodenstrahlröhre

Freie Elektronen aus einer Glühkathode ↗

Bündelung hin zu einem Strahl Wehneltzylinder ↗

Beschleunigung über eine positive Anode ↗

Im Inneren herrscht fast Vakuum ↗

Typische Beschleunigungsspannungen

Bei Oszilloskop-Röhren zwischen 500 und 8.000 Volt (vereinzelt bis 24.000 V),

Bei Schwarz-Weiß-Fernsehbildschirmen zwischen 14.000 und 18.000 Volt,

Bei Farb-Fernsehbildschirmen 25.000 bis 35.000 Volt,

Bei Spezialröhren zur nachträglichen optischen Vergrößerung des Bildes mittels optischer Linsen (Projektionsverfahren) bis 50.000 Volt,

Bei Elektronenstrahlen zur Materialbearbeitung und in Röntgenröhren oft über 100.000 Volt.

Siehe auch Beschleunigungsspannung ↗

Röntgen-Gefahr ab 20 Tausend Volt

Ab einer Anodenspannung (Beschleunigungsspannung) von etwa 20 Tausend Volt entsteht beim Auftreffen der Elektronen auf Materie die sogenannte Bremsstrahlung. Diese Röntgenstrahlung ist für Menschen gesundheitsschädlich. Das setzt Kathodenstrahlröhren eine medizinische Grenze nach oben. Siehe auch Bremsstrahlung ↗

Fußnoten

[1] Im französischen Original von 1925: "Les rayons cathodiques se produisent, comme on le sait, quand on interrompt un fil métallique traversé d'un courant électrique par une ampoule où l'on a fait le vide presque complet. Ce sont ces rayons qui, issus d'une extrémité de l'ampoule, frappent l'autre extrémité et la rendent fluorescente et émettrice des fameux rayons X. Nous savons aujourd'hui que ces rayons cathodiques ne sont, en réalité, qu'un torrent de particules matérielles électrisées négativement et dont la masse est presque deux mille fois plus petite que celle d'un atome d'hydrogène. Ces projectiles microscopiques, appelés électrons, se ruant hors de la cathode, vont bombarder l'autre extrémité de l'ampoule et lui impriment des vibrations ultrarapides, qui ébranlent l'éther, d'où fluorescence et rayons X. Il suit de là nécessairement que chaque atome, loin d'être indivisible, renferme des électrons de masse insignifiante par rapport à sa masse totale, et qui peuvent lui être arrachés." In: Paul Painlevé: Les conceptions modernes de la matière et la science classique. Discours prononcé à Londres, le 15 novembre 1927 devant la « Royal Institution of Great Britain. Eine kurze Zusammenfassung des Vortrages wurde 1927 in Nature veröffentlicht: [News and Views]. Nature 120, 777–781 (1927). https://doi.org/10.1038/120777b0