Gasentladung, Kathoden- und Kanalstrahlen

Kurzbeschreibung

In einem Gasentladungsrohr von etwa 5 cm Durchmesser und ca. 50 cm Elektrodenabstandstand wird die Glimmentladungsausbildung in Luft untersucht. Als Spannungsquelle dient ein Funkeninduktor oder ein Hochspannungsgerät, mit dem man Gleichspannungen über 10 KV bei Stromstärken im mA-Bereich erzeugen kann. Die Druckvariation wird mittels Drehschieberpumpe erreicht. Bei einem Druck von einigen zehn Torr tritt eine bläuliche, fadenstrahlartige Entladung auf. Diese Entladung verbreitert sich, wenn der Druck mit der Drehschieberpumpe weiter reduziert wird. Sobald die Glimmentladung das gesamte Entladungsrohr ausfüllt, kann man drei ausgeprägte Leuchterscheinungen unterscheiden: unmittelbar an der Kathode befindet sich eine schmale, violett leuchtende Schicht, das negative Glimmlicht; es folgt ein Dunkelraum, der nach seinem Entdecker der Faradaysche Dunkelraum genannt wird; an diesen Dunkelraum schließt sich ein langes, intensiv rot leuchtendes Band, die positive Säule, an. Die positive Säule reicht bis zur Anode. Bei weiterer Verminderung des Drucks dehnen sich das negative Glimmlicht und der Dunkelraum immer weiter aus, während die positive Säule langsam schrumpft. Bei ca. 1 Torr entspricht die Leuchterscheinung etwa der dargestellten Form.

Die Kathode ist nun von einer scharf begrenzten, dünnen, violetten Schicht, dem negativen Glimmsaum, bedeckt, dem sich ein erster schmaler und ebenfalls scharf begrenzter Dunkelraum, der Hittorfsche Dunkelraum, anschließt. Es folgt das negative Glimmlicht, das diffus in den zweiten, den Faradayschen Dunkelraum, übergeht. Die anschließende, jetzt fahlrot leuchtende positive Säule nimmt nur noch die halbe Länge des Entladungsrohrs ein. Bei etwa 10^-1 Torr verschwindet die positive Säule vollkommen und das negative Glimmlicht erfüllt den Großteil des Rohrs. Bei weiterem Evakuieren schwindet das Leuchten der Entladung immer mehr, bis man schließlich nur mehr bläuliches Fluoreszieren der Glaswand beobachtet. Bei etwa 10^-2 Torr formt sich der Glimmsaum zu einem scharf geformten Pinsel. Aufgrund der durchbohrten Elektroden sieht man hinter der Kathode einen scharf rötlichviolett leuchtenden Strahl; es handelt sich dabei um Kanalstrahlen, also positive Ionen. Im Bereich hinter der Anode sieht man eine fluoreszierende, bläuliche Kathodenstrahlung. Hier handelt es sich vorwiegend um Elektronen, wie man mit Hilfe eines einfachen Stabmagneten leicht nachweisen kann. Die positiven Ionen werden durch den Kathodenfall beschleunigt, treffen auf die Kathode und schlagen dort Sekundärelektronen heraus. Diese Sekundärelektronen werden ebenfalls beschleunigt und können, solange sie noch langsam sind, im Glimmsaum nur Stoßanregung ausführen. Im Hittorfschen Dunkelraum haben sie genug Energie zur Stoßionisation gewonnen, verlieren aber bei der Ionisation wieder so viel Energie, dass sie im anschließenden Glimmlicht das Gas nur noch anregen können. Im Faradayschen Dunkelraum sind die Teilchen so weit abgebremst worden, dass sie auch zur Anregung nicht mehr in der Lage sind. Da sie jedoch genügend viele Träger erzeugt haben, baut sich die Entladung in der positiven Säule, genannt Plasma, eine sehr gut leitende Verbindung, um die Elektronen zur Anode zu leiten. Charakteristisch für ein solches Plasma ist, dass es negative und positive Ladungsträger enthält, wobei die negative Ladungsdichte gleich der positiven Ladungsdichte ist, so dass das Plasma nach außen hin neutral erscheint. Die im Hittorfschen Dunkelraum durch Stoßionisation entstandenen Ionen bewegen sich wegen ihrer größeren Masse sehr viel langsamer als die Elektronen, so dass eine positive Raumladung entsteht, die als Quelle von Feldlinien auch der Grund für die große Feldstärke in diesem Teil der Entladung ist.

Betriebsanleitungen: Vakuum, Elektrogeräte, Hochspannungsröhren, Hochspannungsnetzgeräte

• zum Film mit Ton


• zur Animation