Helmut Gente/Heinz Schröder Die Glimmröhre ihre physikalischen Grundlagen und ihre Verwendung im Unterricht Helmut Gente/Heinz Schröder Die Glimmröhre ihre physikalischen Grundlagen und ihre Verwendung im Unterricht Mit 89 Abbildungen SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-322-98255-1 ISBN 978-3-322-98948-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-98948-2 Einführung und Vorwort Im letzten Jahrzehnt hat die Glimmröhre immer mehr Eingang in den Physikunterricht gefunden. Ein äußerlicher Grund dafür ist die Tat sache, daß die Industrie viele Typen von Glimmröhren für die ver schiedensten Zwecke entwickelte und billig in den Handel brachte. Mancher Physiklehrer hat dann begonnen, mit ihnen zu experimentieren. Schon der Vorgang der Zündung einer solchen Röhre hat für jeden physikalisch Interessierten etwas Anziehendes. Die Entwicklung ist entscheidend gefördert worden, als der Katoden strahl-Oszillograph immer weitere Verbreitung fand und in jeden physikalischen HÖrsaal einzog. Die Möglichkeit, die Kennlinie einer Glimmröhre auf einfachste Weise darzustellen, gab Anlaß zu nützlichen Studien. Auch war man wieder auf die Hittorfsche Kippschaltung aufmerksam geworden, in der die Glimmröhre eine Fülle interessanter Eigenschaften erkennen läßt. Zeitschriftenaufsätze beschäftigten sich mit dem Nachweis des lichtelektrischen Effekts an einer Glimmröhre und zeigten einen einfachen Weg zu quantenphysikalischen Versuchen. Heute ist die Glimmröhre zu einem physikalischen Gerät geworden, das sehr viele experimentelle Möglichkeiten bietet. Bestechend ist zunächst die Einfachheit der Versuchaufbauten. Im wesentlichen sind es nur Potentiometer und Kondensatoren, die als Schaltelemente mit der Glimmröhre zusammenwirken. Die Schaltungen lassen viele Vari anten zu und erlauben es daher, sinnvolle Aufgaben zu stellen, die wirk liche physikalische Betrachtungen erfordern, bevor man an die mathe matische Behandlung gehen kann. Bei den Kippschaltungen werden die elektrischen Begriffe Stromstärke, Ladung, Spannung, Kapazität und Widerstand in interessanter Weise miteinander verknüpft. Aus der Elektrostatik bekannte Zusammenhänge werden mit solchen aus dem Gebiet der Elektrodynamik verbunden, ähnlich, wie es bei der Unter suchung von Wechselstromkreisen geschieht, aber in mathematisch durchsichtigerer Weise. So ist die Glimmröhre zu einem der viel bemühten exempla geworden, die den Ausgangspunkt für physikalische Überlegungen verschiedener Art bilden und die daher dazu beitragen, diese miteinander zu ver knüpfen. Am wichtigsten ist aber wohl die Hilfe, die Versuche mit Glimmröhren für die Entwicklung und Darstellung atomphysikalischer Grundeinsich ten bieten. Die Vorgänge in einer Glimmröhre lassen sich nur erklären, wenn die Eigenschaften der verschiedenen Ladungsträger erfaßt werden v und wenn die Grundvorstellungen der kinetischen Gastheorie sowie die wichtigsten Aussagen der Quantenphysik bekannt sind. Auf diese Weise werden innere Zusammenhänge deutlich. - Nicht zuletzt sei erwähnt, daß die Glimmröhre auch in interessanter Weise als elektrisches Meß instrument verwendet werden kann. Wir haben es uns zur Aufgabe gemacht, in dem vorliegenden Büchlein zusammenzutragen, was über die Glimmröhre bekannt, aber oft in der Fachliteratur verstreut oder in schwierige Theorien eingebettet ist. Wir wollen dabei versuchen, das Wesen der Glimmentladung möglichst vollständig und systematisch darzustellen. Die genaue Theorie der Gasentladung ist recht verwickelt und erfordert allerlei mathe matisches Rüstzeug. Wir haben uns daher bemüht, immer vom Experi ment auszugehen und an die Stelle eingehender quantitativer Betrach tungen Vergleichsrechnungen treten zu lassen oder Grenzfälle zu dis kutieren, die das Wesentliche sichtbar machen und aus denen Ab schätzungen gewonnen werden können. Manches, was uns in seiner Aussage oder Deutung neu erscheint, veröffentlichen wir in diesem Rahmen und erhoffen dabei geduldige und diskutierfreudige Leser. Zur genaueren Orientierung sei die angegebene Spezialliteratur empfoh len. Möge das vorliegende Büchlein Freunde finden unter denen, die wie wir besorgt sind über das allzu starke Eindringen technisch hochgezüchteter Geräte in den Physikunterricht und die es als eine Aufgabe empfinden, das einfache, aber physikalisch gehaltvolle Gerät wieder in den Vorder grund zu bringen. Die Darstellung ist so gehalten, daß jeder interessierte Lehrer etwas für seinen Unterricht Geeignetes auswählen kann; darüber hinaus bieten sich viele Möglichkeiten für Arbeitsgemeinschaften und sinnvolle Themen für Jahresarbeiten. Dem Verlag Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig, danken wir für die freundliche Unterstützung unseres Vorhabens. Im April 1963 Helmut Gente Dipl.-Math. Heinz Schräder Oberstudiendirektor Oberstudienrat VI Inhaltsverzeichnis I) I. Die physikalischen Vorgänge bei einer Gasentladung 1. Grundsätzliches zur Deutung der Glimmentladung (S) . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Die Kennlinie einer Glimmröhre (S, G) ............................ 6 a) Aufnahme der Kennlinie. . . . . . . . . . . . . . . .. . ... . . . . . . . . . . .. .. . . . 6 b) Diskussion der Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 c) Darstellung der Kennlinie mit Hilfe der Braunschen Röhre. . . . . . . . 13 3. Der Potentialverlauf in einer Entladungs.(Glimm. )Röhre (S) . . . . . . . .. 16 4. Die Abhängigkeit der Entladungserscheinungen vom Aufbau der Glimmröhre (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 a) Der Einfluß der Katodenform. ................................. 18 b) Der Einfluß des Elektrodenabstandes . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . .. 19 c) Der Einfluß der Gasart und des Gasdrucks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20 d) Der Einfluß des Katodenmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22 5. Geschichtete Entladungen (S) .................................... 24 6. Entladungen unter besonderen Bedingungen (S) .................... 30 a) Entladungen bei tiefen und hohen Temperaturen ..... " . . . . . . . . .. 30 b) Entladung unter Einfluß eines Magnetfeldes. .. . .. . . . . . . . . .. . . . .. 31 c) Entladung bei Belichtung der Katode. . .. .. . .. . . .. . . . . . .. . . .. . .. 35 7. Entladungen im Wechselfeld (S) .. . . . ... .. . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . .. 36 8. Studien zum zeitlichen Verlauf einer Entladung (S) 38 11. Die Glimmröhre als experimentelles Hilfsmittel 1. Der Spannungsprüfer (S) ........................................ 48 2. Der Nachweis elektrischer Schwingungen mit der Glimmröhre (S) . . . .. 48 3. Der Spannungsstabilisator (G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49 4. Spannungsmessung mit Hilfe von Glimmröhren (S). . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 a) co·Bestimmung unter Verwendung einer Glimmröhre . . . . . . . . . . . . .. 53 b) Messung von Induktionsstößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55 c) Messung beliebiger Spannungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57 d) Spezialglimmröhren für die Messung von Spannungen.. . . . ... . . . .. 59 5. Die Hittorfsche Kippschaltung (G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60 a) Experimentelle Untersuchung von Kippschaltungen. . . . . . . . . . . . .. 60 "') Die Grundschaltung ....•••..••........•....................... 60 ß) Darstellung der Kippschwingungen mit Hilfe des Oszillographen .........•• 61 y) Berechnung der Schwingungsdauer ....•.........••.••...•......••. 62 6) Variationen der Kippschaltung ................................... 63 e) Kippschwingungen im akustischen Frequenzbereich . . . . • . . . . . . . . . . . . .• 64 I:) Frequenzmessung bei Kippschwingungen ..•••....•...........•.....• 65 1) Die Buchstaben hinter den einzelnen Abschnitten bezeichnen den jeweiligen Verfasser (G Gente, S Schröder). VII b) Genaue Untersuchung des Verhaltens der Glimmröhre in der Kipp- schaltung ................................................... 67 <X) Die Entladung eines Kondensators über eine Glimmröhre ................ 67 ß) Der Einfluß des Widerstandes auf die Yorgänge in der Kippschaltung ....... 73 c) Die Grenzfrequenz von Kippschwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82 6. Kippschaltungen mit mehreren Glimmröhren (G) ................... 85 a) Multivibratorschaltung mit zwei Glimmröhren ................... 85 b) Flip-Flop-Schaltung mit zwei Glimmröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89 c) Univibratorschaltung ........................................ , 90 7. Messungen mit Kippschaltungen. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91 a) ·Widerstands-und Kapazitätsbestimmung durch Messung der Schwin- gungsdauer (G) .............................................. 91 <X) Auswahl der Kippschaltung ..................................... 91 ß) Eichung der Kippschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92 y) Messung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93 6) Messung von Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94 c) Messung großer Kapazitäten ............................•........ 96 b) Digitale Messungen mit Hilfe der Glimmröhre (G) ................ 96 <X) Analoge und digitale Messungen .................................. 96 ß) Digitale Messung schwacher Ströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98 y) Digitale Messung von Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99 Cl Digitale Messung von Spannungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101 c) Die Ermittlung des elementaren "Tirkungsquantums h aus der Zündspannungserniedrigung bei belichteten Glimmröhren (S) ...... 103 VIII I. Die physikalischen Vorgänge hei einer Gasentladung 1. Grundsätzliches zur Deutung der Glimmentladung Eine Glimmröhre besteht im wesentlichen aus zwei Elektroden, die von verschiedener oder gleicher Bauart sein können und in einen Glaskolben oder ein Glasröhrchen eingeschmolzen sind. Das Röhrchen ist mit Gas gefüllt, dessen Druck in der Größenordnung von 0,1 Torr liegt. c1J Abb.1. Glimmröbre DGL 43-02 II?~ (frühere Eezeichnung zz l2 I? ? ? li lliUl2l227[}) UR 110) Wir werden den weiteren Ausführungen vielfach das in Abb. 1 dar gestellte Neon-Röhrchen DGL 43-02 zugrunde legen, das nach der Art einer Soffittenlampe ausgebildet ist und überall billig erworben werden kann. Die grundsätzliche Deutung der Entladungserscheinungen in einer solchen Glimmröhre soll von folgendem Versuch ausgehen; +>--_ ---1 u. Abb. 2. )Icßschaltung für die Aufnahme der Glirnmröhren-Kennlinie Die Glimmröhre G (Abb. 2) ist über den Hochohmwiderstand R an eine regelbare Gleichspannung U 0, die an dem Voltmeter VI abgelesen wird, angelegt. Die an G selbst entstehende Spannung U G wird mit einem statischen Voltmeter V 2 gemessen. In Reihe mit dem statischen Volt meter liegt eine Spannungsquelle B von 90 V, die den Nullpunkt des Instruments in einen Bereich verschiebt, in dem kleine Spannungen besser abgelesen werden können. Für R werden nacheinander die Werte 2 MO, 5 MO, 10 MO, 30 MO und 1000 MO gewählt, und die Spannung U wird jeweils von Null hochgeregelt. Dabei beobachtet man die beiden 0 Voltmeter. Die Meßergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. (Die oben envähnte Hilfsspannung von 90 V ist bei U G schon abge zogen.) 1 1 Gente-Schröder, Glimmrühre Messung R Uo Uc Ja Re Nr. MQ y Y A Q 1 2 92 92 0 sehr groß 2 160 76 4,2' 10-5 1,8 . 106 3 5 92 92 0 Eehr groß 4 160 82 1,6 . 10-5 5,2· 106 5 10 93 92 1,0· 10-7 9,2 . 108 6 160 84 0,8' 10-5 11 . 106 7 30 97 92 1,7· 10-7 5,6' 108 8 1000 155 92 0,6 . 10-7 15 . 108 Erstaunlicherweise zeigt sich bei den Widerständen von 2 Mn und 5 Mn, daß die Spannungen U 0 und U G bis zu einem bestimmten immer gleichen Wert (92 V) sich nicht unterscheiden; dann aber weichen sie plötzlich beträchtlich und in zunehmendem Maße voneinander ab. Bei R = 30 Mn tritt dieser Wandel erst ein, wenn U 0 ein wenig (5 V) höher liegt als U G, während bei R = 1000 Mn die offenbar kritische Spannung von 92 V erst bei einem beträchtlichen Unterschied von U 0 und U G erreicht wird. In der letzten Spalte ist der Widerstand RG, den die Glimmröhre selbst darstellt, eingetragen. Er ergibt sich zu RG = U GI I G. Dieser Widerstand sinkt in allen Fällen bei wachsender Stromstärke ganz erheblich. Die Glimmröhre folgt also auch nicht annähernd dem Ohmschen Gesetz. Wie sind diese eigenartigen Ergebnisse nun zu erklären? Sämtliche Messungen zeigen offenbar, daß bei U G = 92 V in der Glimmröhre ein labiler Zustand eintritt. Aus den Messungen Nr. 7 und 8 ersieht man jedoch, daß schon vor Erreichen dieses labilen Zustandes ein Ladungs austausch stattfindet. Es handelt sich dabei nicht etwa um einen Kriech strom infolge mangelnder Isolation, denn die Spannungsdifferenz U 0 - U a steigt kurz vor Erreichen des kritischen Punktes plötzlich besonders stark an (Genaueres hierzu siehe unter 1.2.). Dieser Vorstrom scheint für alle Widerstände R etwa dieselbe Stärke zu haben, nur macht sich dieser bei den Messungen Nr. 1 und 3 wegen der Kleinheit von R nicht in einem meßbaren Unterschied zwischen den Spannungen Uo und Ua bemerkbar. Das Gas in der Röhre muß von Anfang an bis zu einem gewissen Grade ionisiert sein (Volumionisation). Dafür sorgen vor allem radioaktive Einflüsse aus der Atmosphäre (Höhenstrahlung). Wird nun an die Elektroden mit dem Abstand l eine Spannung U gelegt, so herrscht im 0 ersten Augenblick in der Röhre die Feldstärke E = U oll. Durch deren Einfluß beginnen sich die vorhandenen Ladungsträger zu bewegen, und zwar die positiven Ionen langsamer als die negativen. Es muß daher zu einem Stau positiver Ladungsträger vor der Katode kommen, mit 2 anderen Worten, es entsteht eine Raumladung, zu der ein spezielles elektrisches Feld gehört. Dies wieder hat zur Folge, daß die Feldstärke in der Umgebung der Katode schneller zu steigen beginnt als die Be triebsspannung U o. Die positiven Ionen werden also immer stärker nach der Katode hin beschleunigt und schließlich von dieser aufge nommen. Infolge ihrer Größe haben sie in dem Gase, mit dem die Glimmröhre gefüllt ist, eine verhältnismäßig kleine freie Weglänge. Sie können daher auf dieser freien Weglänge nur eine beschränkte kinetische Energie aus dem wirksamen Felde aufnehmen. Diese wird bei wachsender Feldstärke schließlich so groß, daß beim Zusammenstoß mit Molekein zwar noch keine Ionisation stattfindet, aber immerhin der Bereich der unelastischen Stöße erreicht wird. Trotz der auf diese Weise beschränkten Energieaufnahme der positiven Ionen kann es inzwischen eingetreten sein, daß sie beim Auftreffen auf die Katode genügend Energie besitzen, um dort einige der im Überfluß vorhandenen Elektronen herauszuschlagen. Ob dies wirklich eintritt, hängt natürlich von der für das Auslösen eines Elektrons erforderlichen Austrittsarbeit ab. Damit kommt es für dieses Ereignis also auf das Material, die Oberflächenbeschaffenheit und Form der Katode und vielleicht auch auf die Art des Gases an (Näheres hierzu s. unter 1.4.) Das Auslösen von Elektronen ist ein für den weiteren Vorgang ent scheidendes Ereignis; denn die Elektronen haben in dem Gas eine größere freie Weglänge als die positiven Ionen. Theoretisch müssen sich diese freien Weglängen, wenn man Elektronen bzw. Ionen in einem V"2 sonst neutralen Gas betrachtet, um den Faktor 4 . unterscheidenl). Ein Elektron kann also bei gleicher Feldstärke eine 4· V2-mal größere Energie aufnehmen als ein positives Ion. Das wirkt sich in Anbetracht der kleinen Masse in einer vielfach größeren Geschwindigkeit des Elek trons aus. Somit sind diese Elektronen die ersten Ladungsträger, die bei einer bestimmten Feldstärke die zur Ionisation neutraler Gasmolekein erfor derliche Energie besitzen. Theoretisch ist nun folgendes denkbar: Aus der Katode wird ein einzelnes Elektron herausgelöst. Dieses Elektron bekommt in dem vorhandenen elektrischen Feld eine kinetische Energie, die ausreicht, um aus neutralen Gasmolekein Elektronen frei zu machen, die ihrerseits wieder ionisationsfähig sind. So wird je Sekunde eine gewisse Anzahl von Ladungsträgern neu erzeugt. Dadurch aber, daß sich einige der auf diese Weise erzeugten Elektronen entweder mit positiven Ionen wieder vereinigen oder sich an neutrale Molekein an lagern, geht immer ein Teil der vorhandenen Ladungsträger für den weiteren Ionisierungsprozeß verloren. Bei einer bestimmten Feldstärke ') Dosse-Mierdel, Der elektrische Strom im Hochvakuum und in Gasen, Verlag Hirzel, 2. Auf!., S. 25 3