Physik Klasse 9 Datum: Lehrkraft:

Elektrizitätslehre Name:

Die Braunsche Röhre

Karl Ferdinand Braun (1850-1918) war ein deutscher Physiker und gilt als Erfinder der nach ihm benannten Braunschen Röhre, auch bekannt als Elektronenstrahlröhre. Eine solche Röhre erzeugt einen gebündelten Elektronenstrahl, wodurch auf einer Mattscheibe Bilder erzeugt werden können. Elektronenstrahlröhren sind in alten Röhren-Fernsehern und Computermonitoren verbaut, die zwar zunehmend von Monitoren mit Plasma- und LCD-Bildschirmtechnik abgelöst werden, aber auch heute noch in Haushalten und Büros zu finden sind.

Aufbau einer Braunschen Röhre:

Arbeitsauftrag 3:

Erkläre die Funktionsweise einer Braunschen Röhre. Berücksichtige dabei die Richtung, in der das Elektron abgelenkt wird. (Hinweis: Die Enden des Hufeisenmagneten zeigen in die Papierebene hinein.)

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Aufbau einer Braunschen Röhre (Bildquelle: SBS | Fachschaft Physik)

N

S

Hufeisenmagnet

Leuchtschirm

Anode

Wehnelt-Zylinder

Glühkathode

+ -

- +

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Arbeitsauftrag 2:

Fülle die untenstehende Tabelle aus. Trage dafür für die verschiedenen Bestandteile der Braunschen Röhre die entsprechende Funktion bzw. die entsprechenden Eigenschaften ein.

Bestandteile in derBraunschen Röhre Funktion und Eigenschaften

Glühkathode

Wehnelt-Zylinder

Anode

Leuchtschirm

Bildquellen: SBS | Fachschaft Physik

Arbeitsauftrag 1:

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Lies den folgenden Text und halte die wichtigsten Aspekte schriftlich fest. Notiere jeweils zu den drei Abbildungen, was dargestellt ist.

→Check: Welche Bedingung muss vorliegen, damit Elektronen einen Strahl bilden?

Wehnelt-ZylinderDer Wehnelt-Zylinder, benannt nach seinem deutschen Erfinder und Physiker Arthur Wehnelt (1871-1944), ist ein Bestandteil der Braunschen Röhre.

Der Wehnelt-Zylinder umgibt die Glühkathode. Am Zylinder ist eine Spannung angelegt, die dazu führt, dass der Wehnelt-Zylinder negativ geladen werden kann. Will nun ein Elektron diesen Zylinder passieren, dann bewirkt der negativ geladene Zylindermantel, dass sich das Elektron aufgrund der Abstoßung mittig durch den Zylinder bewegt.

Liegen viele Elektronen vor, dann sorgt der Zylinder dafür, dass diese zu einem Elektronenstrahl gebündelt werden. Je höher die Spannung, desto größer die negative Aufladung an der Zylinderwand und desto gebündelter die Elektronen. Ist der Zylinder jedoch zu stark negativ geladen, verhindert er, dass ihn Elektronen überhaupt passieren können, bzw. der Strahl wird so klein und dünn, dass er nicht mehr wahrnehmbar ist.

Wehnelt-Zylinder mit mittlerer Spannung Wehnelt-Zylinder mit niedriger Spannung

Bildquellen: SBS | Fachschaft Physik

Ausrichtung von Elektronen im Wehnelt-Zylinder

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Arbeitsauftrag 1:

Lies den folgenden Text und halte die wichtigsten Aspekte schriftlich fest. Notiere jeweils zu den drei Abbildungen, was dargestellt ist.

→ Check: Welche Bedingung muss vorliegen, damit eine Ladungswolke entsteht?

GlühkathodeDie Glühkathode besteht aus einem aufgewickelten Draht wie in einer Glühlampe. Fließt ein elektrischer Strom durch Anlegen einer Heizspannung durch den Draht, so fängt er – analog zum Draht in einer Glühlampe – an zu glühen und zu leuchten. Durch die zugeführte Wärmenergie bewegen sich die Drahtatome immer stärker, sodass Elektronen aus der Atombindung herausgeschleudert werden können. Dieser Effekt wird glühelektrischer Effekt genannt. Es bildet sich um den Glühdraht eine Art Wolke aus negativ geladenen Teilchen, die als sogenannte Elektronenwolke bezeichnet wird. Bei geringer Temperatur treten wenige bis keine, bei hohen Temperaturen (T > 600°C) sehr viele Elektronen aus dem Draht heraus.

Der Glühdraht wird auch Glühkathode genannt, weil er den negativen Pol darstellt (eine Anode stellt dagegen einen positiven Pol dar). An der Glühkathode liegt eine hohe Spannung an. Diese verursacht, dass sich die Elektronen aus der Ladungswolke ablösen können.

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Arbeitsauftrag 1:

Lies den folgenden Text und halte die wichtigsten Aspekte schriftlich fest. Notiere jeweils zu den beiden Abbildungen, was dargestellt ist.

→Check: Welche Bedingungen müssen vorliegen, damit ein Elektron bis zur Anode gelangt?

AnodeDie Anode besteht aus einer Scheibe mit einem kleinen Loch in der Mitte (Lochblende, s. obere Abb.). Zwischen der Kathode und der Anode liegt eine hohe Spannung an; die Anode ist positiv geladen. Diese Spannung wird meist Anoden- oder Beschleunigungsspannung genannt. Wie aus der Elektrizitätslehre bekannt, ziehen sich negative und positive elektrische Ladungen an. Befindet sich an der Kathode ein frei bewegliches Elektron (also ein negativ geladenes Teilchen), wird es von der positiv geladenen Anode angezogen und zu ihr hin beschleunigt. Die Anziehung der Anode ist umso stärker, je größer die Spannung ist. Sind die Elektronen sehr schnell unterwegs und kommen mittig an der Lochblende an, können sie ungehindert durch das Loch in der Anodenscheibe gelangen. Ist die Spannung allerdings klein (im Bereich weniger Volt), so ist die Anode sehr schwach positiv geladen und zieht die Elektronen schwach bis kaum an, sodass das Elektron die Anodenscheibe nicht überwinden kann.

- +

- +

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Arbeitsauftrag 1

Lies den folgenden Text und halte die wichtigsten Aspekte schriftlich fest. Fülle anschließend das Energieflussdiagramm aus.

→Check: Welche Bedingungen müssen vorliegen, damit der Schirm leuchtet?

LeuchtschirmDer Leuchtschirm besteht zunächst erstmal aus Glas. Wird etwas auf diesen transparenten (durchsichtigen) Schirm projiziert, so kann man nichts erkennen. Um auf dem Leuchtschirm etwas sichtbar zu machen, muss er intransparent (undurchsichtig) gemacht werden. Bei einer Braunschen Röhre gelingt dies durch Beschichten der Glasfront mit einem fluoreszierendem Material (beispielsweise Zinksilikat). Trifft ein Elektron auf diese Schicht, beginnt der Schirm an dieser Stelle grün zu leuchten.

Dieser sogenannte Fluoreszenz-Effekt ist folgendermaßen zu verstehen: Die Elektronen haben, bevor sie auf den Schirm treffen, kinetische Energie. Beim Aufprall auf die Leuchtschicht wird die kinetische Energie auf die Moleküle des Zinksilikats übertragen. Die Moleküle nehmen die Energie auf und beginnen zu schwingen (ähnlich wie bei der Energiezufuhr von Wasser durch Erhitzen, bei der die Wassermoleküle sich stärker bewegen). Durch diese Molekülbewegung wird Licht emittiert. Dieses Licht können wir sehen und nehmen es als grünen Lichtfleck auf dem Leuchtschirm wahr.

Der Aufprall der Elektronen auf dem Schirm und das Leuchten ist zeitlich etwas verzögert. Treffen keine Elektronen mehr auf den Schirm, so leuchtet dieser noch kurze Zeit etwas nach, bevor das Leuchten verschwindet.

Energieflussdiagramm:

Bildquellen: SBS | Fachschaft Physik

Bewegungsenergie der Elektronen

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Arbeitsauftrag 4:

Ergänze die jeweils fehlende Komponente (Lorentzkraft, Magnetfeld oder Flugrichtung des Elektrons). Hinweis: Der Punkt bedeutet, dass das Elektron aus der Papierebene herauskommt. Ein X bedeutet, dass sich das Elektron in die Papierebene hineinbewegt.

Physik Klasse 9 MUSTERLÖSUNGElektrizitätslehre

Arbeitsauftrag 4:

Ergänze die jeweils fehlende Komponente (Lorentzkraft, Magnetfeld oder Flugrichtung des Elektrons). Hinweis: Der Punkt bedeutet, dass das Elektron aus der Papierebene herauskommt. Ein X bedeutet, dass sich das Elektron in die Papierebene hineinbewegt.

B

FBF

B

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Karl Ferdinand Braun* 6. Juni 1850 in Fulda† 20. April 1918 in Brooklyn/New York

Ferdinand Braun war ein Experimentalphysiker der wilhelminischen Zeit. Er hat zu Themen wie Thermodynamik, Elektrochemie und elektrische Instrumente gearbeitet. Wichtige Entdeckungen und Erfindungen waren der Gleichrichtereffekt bei Halbleitern, die Braunsche Röhre und der gekoppelte Sender in der drahtlosen Telegrafie, für den er 1909 gemeinsam mit Marconi den Nobelpreis erhielt. Braun war ein entschiedener Befürworter der von Felix Klein geforderten universitären Technikwissenschaft. Ferdinand Braun war jedoch nicht nur Forscher, sondern betrieb als Mitgründer der Firma Telefunken auch Technologietransfer. So brachte er schon damals seine Forschungsergebnisse in die Anwendung.

1868 - 1872 Studium in Marburg und Berlin

1870 - 1874 Assistent in Berlin und Würzburg1874 - 1877 Lehrer in Leipzig

Entdeckung des Gleichrichtereffekts in Halbleitern (1874)1877 - 1880 Außerordentlicher Professor in Marburg1880 - 1883 Außerordentlicher Professor in Straßburg1883 - 1885 Professor in Karlsruhe

Elektrisches Pyrometer (1884)1885 - 1895 Professor in Tübingen

Planung und Bau des physikalischen Instituts (1885 - 1889)Le Chatelier-Braun-Prinzip; Braunsches Elektrometer (1887)

1895 - 1918 Professor in StraßburgDemonstration der Braunschen Röhre (1897)Drahtlose Telegraphie (1898)Telefunken in Berlin gegründet (1903)Rektor der Universität (1905)Entwicklung des ersten Kristallempfängers (1906)Nobelpreis für die Verdienste um die drahtlose Telegrafie (1909)Im Auftrag des Deutschen Reiches nach New York (1914)

Quelle: Florian Hars, http://www.hars.de/ (1998)

Karl Ferdinand Braun (1909) Bildquelle: © Wikimedia Commons

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Vertiefungen zur Braunsche Röhre

Vertiefung 1: Vakuum innerhalb der Röhre

Der Innenraum einer Braunschen Röhre ist vakuumiert; im Inneren herrscht also ein Vakuum. Das bedeutet, dass im Inneren keine Luftteilchen enthalten sind.

Stelle Vermutungen auf, warum dies so ist. Überlege dir dabei die Konsequenzen, wenn dies nicht so wäre. (Tipp: Eine Skizze kann helfen.)

Vertiefung 2: Bildschärfe

Überlege dir, wovon die Bildschärfe bei der Braunschen Röhre abhängig ist.

Welches Bauteil ist für die Bildschärfe verantwortlich? Wie lässt sich ein schärferer Leuchtpunkt erzeugen? Was bedeutet überhaupt Bildschärfe bezogen auf den

Elektronenstrahl?

Vertiefung 3: Farbbilder

Beim Farbfernsehbildschirm gibt es keine einheitliche Leuchtschicht. Anstelle eines einzelnen Pixels (Bildpunktes), welches in einem bestimmten Grauton leuchtet, gibt es beim Farbfernseher drei kleinere, farbige Pixel. Diese kleineren Pixel nennt man auch Unterpixel oder Subpixel. Jeweils eines dieser Unterpixel ist rot, grün und blau. Exemplarisch ist in Abbildung 4 ein Pixel mit seinen drei Unterpixeln markiert.

Da die Unterpixel sehr nahe beieinander liegen und du den Fernseher in der Regel aus einigen Metern Entfernung betrachtest, kannst du die einzelnen Unterpixel nicht voneinander unterscheiden. Dein Auge kann die einzelnen Lichtquellen räumlich nicht mehr auflösen und nimmt sie als eine einzige Lichtquelle wahr. So können aus den drei Unterpixeln in den Grundfarben durch additive Farbmischung alle erdenklichen Farben erzeugt werden.

(a) Beschreibe, welche Pixel bestrahlt werden müssen, damit ein weißer Bildpunkt auf dem Bildschirm zu sehen ist.

(b) Erkläre mit nebenstehender Abbildung, wie allgemein ein Bild (nicht ein Farbeindruck) entsteht.

Ausschnitt einer Braunschen Röhre in vereinfachter Darstellung. Mittig sind Elektronen abgebildet, deren Bewegung zur Anode gerichtet ist.

Ablauf eines zeilenweisen BildaufbausBildquelle: Leifi Physik