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Es müssen frei bewegliche (wanderungsfähige) Ladungsträger vorhanden sein: Im Vakuum handelt es sich um Elektronen, die in unterschiedlicher Weise erzeugt werden können. |
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Es muss im betreffenden Raumbereich ein elektrisches Feld existieren: Das wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei Elektroden, der Anode und der Katode, erreicht. |
Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges im Vakuum ist dadurch gekennzeichnet, dass
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sich Elektronen im Gas entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes weitgehend geradlinig beschleunigt bewegen; die Endgeschwindigkeit ist dabei nur von der angelegten Spannung abhängig; |
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die gerichtete Bewegung der Elektronen nicht behindert wird. Beim Auftreffen auf die Anode oder auf einen Schirm wird ihre Energie in Form von Wärme und Licht abgegeben. |
Glühemission
und Fotoemission
Elektronen können durch zwei Vorgänge für den elektrischen
Leitungsvorgang bereitgestellt werden:
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(1)
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1883 entdeckte der amerikanische Erfinder und Forscher THOMAS ALVA EDISON den glühelektrischen Effekt, d.h. die Erscheinung, das Elektronen aus glühenden Metalloberflächen austreten. Diese Glühemission wird genutzt, um mithilfe von Glühkatoden freie Elektronen zu erzeugen (Bild 2). Diese Möglichkeit wird vor allem in Elektronenstrahlröhren und Röntgenröhren genutzt. |
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(2)
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1888 wurde von WILHELM HALLWACHS (1859-1922) entdeckt, dass aus einer Zinkplatte bei Bestrahlung von UV-Licht Elektronen emittiert werden. Das gilt auch für andere Oberflächen. Die Fotoemission (man spricht auch vom äußeren lichtelektrischen Effekt, vom äußeren Fotoeffekt, vom Hallwachs-Effekt) ist damit die zweite Möglichkeit, Elektronen für einen Leitungsvorgang im Vakuum zu erzeugen. Fotokatoden nutzt man z.B. bei Fotozellen. |
Bewegung von Elektronen
im Vakuum
Durch das elektrische Feld zwischen Katode (Glühkatode, Fotokatode)
und Anode werden die freien Elektronen entgegen der Richtung des elektrischen
Feldes beschleunigt. Dabei wird Feldenergie in kinetische Energie der
Elektronen umgewandelt. Geht man davon aus, dass die Elektronen unmittelbar
nach Austritt aus der Katode die Geschwindigkeit null haben, dann gilt:
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Man kann leicht abschätzen, dass sich schon bei
einer Beschleunigungsspannung
von 1 V zwischen Katode und Anode eine Geschwindigkeit von etwa 
ergibt. Bei Elektronenstrahlröhren
wird mit Beschleunigungsspannungen von etwa 15 kV gearbeitet, bei Röntgenröhren
mit Spannungen zwischen 50 kV und 200 kV.
Elektronenstrahlröhren werden vor allem als Fernsehbildröhren oder als Röhren in Oszillografen verwendet. Bei Fernsehbildröhren wird der Elektronenstrahl durch magnetische Felder abgelenkt. Den Aufbau einer solchen Röhre zeigt Bild 3.