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Braunsche Röhre

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Physik

Kennst Du jemanden mit einem alten Röhrenfernseher? Oder sind Dir vielleicht im Physikunterricht Oszilloskope mit einem Röhrenbildschirm begegnet? Diese Art des Bildschirms basiert auf der Braunschen Röhre, deren Funktion Du in diesem Artikel genauer kennenlernst.

Braunsche Röhre: Aufbau und Funktionsweise

Die Braunsche Röhre zeichnet mittels eines Elektronenstrahls Bilder auf einen Leuchtschirm. Diese werden dann durch elektromagnetische Felder abgelenkt.

Grundsätzlich beschleunigt die Braunsche Röhre Elektronen mittels einer hohen Spannung auf einen Leuchtschirm, um dort ein Leuchten zu erzeugen. Dabei kann der Strahl abgelenkt werden, um verschiedene Muster auf dem Leuchtschirm darzustellen.

In den nächsten Abschnitten lernst Du, wie die Braunsche Röhre im Detail aussieht und welche Komponenten für welchen Vorgang verantwortlich sind.

Braunsche Röhre: Skizze

Du kannst in der Abbildung den schematischen Aufbau der Röhre betrachten.

Die Braunsche Röhre ist komplett in einer Vakuumröhre aufgebaut. Dadurch wird verhindert, dass die Elektronen mit Gasmolekülen der Luft kollidieren, was den Strahl abschwächen würde.

Innerhalb dieser Röhre befindet sich ganz links die Glühkathode.

Glühkathode

Die Glühkathode ist ein Draht, an dem eine Heizspannung anliegt. Sie ist hoch genug, damit sich der Draht durch seinen Eigenwiderstand erwärmt. Er wird dabei so heiß, dass durch den glühelektrischen Effekt Elektronen aus der Heizwendel austreten können.

Durch einen Stromfluss durch den Draht gelingt es, Elektronen aus der Glühwendel herauszulösen und in das Vakuum zu bringen. Die Emission ist vergleichbar mit dem Verdampfen von Wasser auf der Oberfläche des Drahtes.

Wehneltzylinder

Der Wehneltzylinder ist ein zylinderförmiger, leitender Metallkörper. An ihm liegt eine relativ zur Glühkathode negative Spannung an. Da der Zylinder die Kathode umgibt, werden die ausgetretenen Elektronen von ihm gebündelt und treten rechts durch ein Loch aus.

Je nach anliegender negativer Spannung werden die Elektronen mehr oder weniger stark gebündelt. Damit lässt sich die Intensität des Elektronenstrahls und damit die Helligkeit des Bildpunktes am Bildschirm steuern.

Anode

Die Anode hat die Aufgabe, die aus dem Wehneltzylinder ausgetretenen Elektronen in Richtung Bildschirm zu beschleunigen. Dafür liegt eine Anodenspannungan der Anode an.

Da diese im Vergleich zum Wehneltzylinder positiv ist, werden die Elektronen angezogen und bis hin zur Anode beschleunigt. Durch ein Loch in der Mitte der Anode passieren die Elektronen die Anode und bewegen sich danach mit konstanter Geschwindigkeit weiter.

Ablenkplatten

Der bisher entstandene Elektronenstrahl muss abgelenkt werden, um Bilder auf dem Bildschirm zu erzeugen. Denn sonst läuft der Strahl nur gerade auf den Bildschirm zu und Du würdest nur einen Punkt in der Mitte sehen.

Die Ablenkung wird durch elektromagnetische Felder zwischen den Ablenkplatten erzeugt. Du kannst Dir die Felder, die erzeugt werden, wie bei einem Plattenkondensator vorstellen. Sie sind nämlich homogene elektrische Felder. Deswegen heißt die hier anliegende Spannung Kondensatorspannung. Je nach anliegender Ablenkspannung wird der Strahl verschieden stark abgelenkt.

Um eine vertikale oder horizontale Ablenkung zu erzielen, werden verschiedene Paare an Ablenkplatten eingesetzt.

Leuchtschirm

Bei dem Leuchtschirm handelt es sich um eine auf der Innenseite der Vakuumkammer liegende Leuchtstoffschicht. Trifft der Elektronenstahl auf diese Leuchtschicht, leuchtet er an der Stelle für Dich sichtbar.

Braunsche Röhre: Formel und Aufgaben

Du kennst nun die verschiedenen Komponenten der Braunschen Röhre und wie der Elektronenstrahl diese passiert. Du kannst jetzt die Geschwindigkeit und Ablenkung des Strahls berechnen, wenn Du die anliegenden Spannungen kennst. Wie genau das geht, kannst Du Dir als Nächstes im Detail anschauen.

Geschwindigkeit der Elektronen

Du fragst Dich sicherlich, wie Du die Geschwindigkeit der Elektronen im Elektronenstahl der Braunschen Röhre berechnen kannst. Dabei ist der Beschleunigungsvorhang hier gleich wie bei einem Linearbeschleuniger.

Zur Berechnung setzt Du die kinetische und elektrische Energie der Elektronen gleich, die Formeln siehst Du hier:

Du kannst nun konkretere Angaben in die Formeln einfügen: für die Masse m die Elektronenmasse , für die Ladung q die Elektronenladung e und für die Spannung U die Anodenspannung .

Nun stellst Du die Formel nach der gesuchten Geschwindigkeit v nach dem Beschleunigungsvorgang um.

Somit kannst Du nun die Berechnung der Endgeschwindigkeit der Elektronen im Elektronenstahl der Braunschen Röhre durchführen.

Zur Berechnung der Geschwindigkeit der Elektronen nach dem Beschleunigungsvorgang in der Braunschen Röhre kannst Du folgende Formel nutzen:

Du brauchst zur Berechnung die Elektronenmasse , die Elektronenladung e und die Anodenspannung .

Braunsche Röhre Geschwindigkeit der Elektronen Formel Studysmarter

Zur Vertiefung kannst Du Dir die Berechnung der Geschwindigkeit an einem Beispiel genauer anschauen.

Aufgabe

Berechne die Geschwindigkeit der Elektronen in einer Brauschen Röhre, wenn sie mit einer Spannung von 250V beschleunigt wurden?

Zusätzlich bekannt sind die Größen der Elektronenmasse und die Elektronenladung .

Lösung

Du kannst direkt die Formel von oben zur Berechnung der Geschwindigkeit nutzen.

Nun kannst Du die gegebenen Werte in die Formel einsetzen. Dabei beträgt .

Somit weist Du die Geschwindigkeit der Elektronen, die Richtung Bildschirm beschleunigt werden.

Die nun auf ihre Geschwindigkeit beschleunigten Elektronen können nun abgelenkt werden, um Bilder auf den Schirm zu zeichnen. Das kannst Du im nächsten Abschnitt genauer betrachten.

Ablenkung der Elektronen

Nach dem die Elektronen beschleunigt wurden, haben sie eine konstante Geschwindigkeit in der Braunschen Röhre. Du möchtest nun den Ablenkvorgang analysieren. Dabei betrachtest Du zunächst die Ablenkung durch ein paar Ablenkplatten.

Wie die Rechnung zur Ablenkung aussieht, kannst Du Dir an einem Beispiel anschauen.

Zur Berechnung der Ablenkung kannst Du Dir den Strahl in einem Koordinatensystem vorstellen: dabei ist die x-Koordinate die Bewegung in Richtung des Schirms und die y-Koordinate die Ablenkung des Strahls durch die Ablenkplatten.

Da die Beschleunigung in x-Richtung bereits abgeschlossen ist, ist die Bewegung in x Richtung eine mit einer konstanten Geschwindigkeit. Somit können wir die zurückgelegte Strecke in x Richtung für die Elektronen folgendermaßen ausdrücken. Dabei ist v die Geschwindigkeit der Elektronen nach der Beschleunigung.

Die Ablenkplatten beschleunigen jedoch die Elektronen in y Richtung mit einer gleichmäßigen Beschleunigung. Die zurückgelegte Strecke in x Richtung für die Elektronen kannst Du mit folgender Formel berechnen.

Um die Beschleunigung in y Richtung zu berechnen, musst Du die Kraft auf die Elektronen gleich setzten mit der Kraft des elektrischen Feldes der Ablenkplatten. Dafür benötigst Du die Ablenkspannung und den Abstand der Ablenkplatten d.

Du kannst die Formel nach der Beschleunigung umstellen.

Nun kannst Du die Beschleunigung in die Formel für die Ablenkung in y Richtung einsetzen.

Du kannst also nun die Ablenkung nach einer bestimmten Zeit t berechnen.

Interessierst Du dich jedoch für die Ablenkung am Ende der Ablenkplatten, musst Du berechnen wie lange die Elektronen bis zu diesem Punkt brauchen. Die zurückgelegte Länge beträgt l.

Umgestellt nach der Zeit:

Und nun in die obige Formel eingesetzt für die Ablenkung in y Richtung, um die Ablenkung am Ende der Platten zu berechnen:

Danach legen die Elektronen eine unbeschleunigte Bewegung in einer geraden Linie mit Länge in x Richtung von b zurück bis sie auf den Schirm treffen.

Du kannst also in kurz die Ablenkung in x-Richtung und y-Richtung mit folgenden Formeln berechnen:

Um die zurückgelegte Streckeder Elektronen in x Richtung zu berechnen, kannst Du folgende Formel nutzen.

Du brauchst zur Berechnung die Elektronenmasse, die Elektronenladung e und die Anodenspannung sowie die Zeit t.

Braunsche Röhre Strecke der Elektronen Formel Studysmarter

Die Ablenkung in y Richtung kannst Du berechnen mit der Ablenkspannung und den Abstand der Ablenkplatten d zusätzlich zu den obigen Angaben.

Braunsche Röhre Strecke der Elektronen Formel Studysmarter

Du kennst nun die Bauteile der Braunschen Röhre und kannst die Elektronenbahn berechnen. Doch wie wurde die Röhre entwickelt und wo findet sie Anwendung? Das erfährst Du im nächsten Abschnitt.

Braunsche Röhre: Erfinder und Geschichte

Nach dem von Thomas Edison (18471931) der Glühelektrische Effekt entdeckt wurde, welcher bei der Braunschen Röhre genutzt wird, um die Elektronen für den Elektronenstahl zu erzeugen, wurde die Braunsche Röhre von Karl Ferdinand Braun (1850 - 1918) im Jahr 1897 erfunden.

Mit der Braunschen Röhre untersuchte Braun elektrische Schwingungen mit dem gleichen Prinzip, wie analoge Oszilloskope funktionieren: Eine variable Spannung an den Ablenkplatten sorgt für eine verschieden starken Ausschlag am Leuchtschirm.

Auch schwarz-weiße Fernsehbilder lassen sich durch eine Röhre mit zwei Paaren an Ablenkplatten erzeugen. Dabei wird der Strahl zeilenweise auf den Bildschirm gelenkt. Je nach gewünschter Helligkeit wird nun die Spannung am Wehneltzylinder verändert.

Da der Strahl sehr schnell über den Bildschirm wandert, ist für das Auge der Verlauf des Strahls nicht mehr sichtbar, sondern es ergibt sich ein zusammenhängendes Bild.

Braunsche Röhre Verwendung: Oszilloskop und Farbfernseher

Analoge Oszilloskope nutzen die Braunsche Röhre zum darstellen von Spannungsverläufen. Die zu messende Spannung an den Ablenkplatten sorgt für einen entsprechenden Ausschlag am Leuchtschirm. Durch ein zweites Paar Ablenkplatten lässt sich der zeitlicher Verlauf aufzeigen in dem der Strahl von links nach rechts bewegt wird, so dass der Verlauf der angelegten Spannung sichtbar wird.

Die Funktionsweise eines Farbfernsehers ist etwas komplexer, da Du nicht nur Hell und Dunkel wie bei einem schwarz-weiß Bild benötigst, sondern Farben darstellen musst.

Dafür nutzt Du die Farben Rot, Grün und Blau, die als kleine fluoreszierende Punkte nebeneinander am Bildschirm für jeden Bildpunkt angebracht sind.

Nun werden drei Elektronenstrahlen genutzt, jeweils einer für jede Farbe. Diese Strahlen werden gleichzeitig auf einen Pixel gelenkt und der jeweilige Strahl lässt seine Farbe aufleuchten. Durch Kombination der drei Farben lässt sich dann das gewünschte Farbspektrum abbilden.

Braunsche Röhre – Das Wichtigste

  • Die Braunsche Röhre besteht aus Glühkathode, Wehneltzylinder, Anode, Ablenkplatten und Leuchtschirm.
  • Sie beschleunigt Elektronen mittels einer hohen Spannung auf einen Bildschirm, um dort ein Leuchten zu erzeugen. Dabei kann der Strahl abgelenkt werden, um verschiedene Muster auf dem Bildschirm darzustellen.
  • Zur Berechnung der Geschwindigkeit der Elektronen kannst Du folgende Formel nutzen: Braunsche Röhre Geschwindigkeit der Elektronen Formel Studysmarter
  • Um die zurückgelegte Streckeder Elektronen in x Richtung zu berechnen nutzt Du folgende Formel:

Braunsche Röhre Geschwindigkeit der Elektronen Formel Studysmarter

  • Um die zurückgelegte Streckeder Elektronen in y Richtung zu berechnen, nutzt Du folgende Formel:
  • Die Braunsche Röhre wurde von Karl Ferdinand Braun (1850–1918) im Jahr 1897 erfunden.
  • In alten analogen Oszilloskopen und Fernsehern ist die Braunsche Röhre als Bildschirm verbaut.

Braunsche Röhre

Die Braunsche Röhre wird als Bildröhre in alten Fernsehern oder Oszilloskopen verwendet. 

Durch eine hohe Spannung zwischen der Katode und Anode im Vakuum des Glaskolbens werden austretende Elektronen Richtung Bildschirm beschleunigt. Mithilfe von Ablenkfeldern werden die Elektronen auf verschiedene Bereiche des Bildschirms gelenkt, wo sie diesen zum leuchten bringen. 

Die Kathodenstrahlröhre wurde 1897 von Ferdinand Braun entwickelt, weshalb sie auch Braunsche Röhre genannt wird.


Der Elektronenstrahl der Braunsche Röhre befindet sich in einer Vakuumröhre, um zu verhindern, dass die Elektronen mit Gasmolekülen der Luft kollidieren, was den Strahl abschwächen würde. 

Finales Braunsche Röhre Quiz

Frage

Wer erfand die Braunsche Röhre und wann?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Braunsche Röhre von Karl Ferdinand Braun (1850 - 1918) im Jahr 1897 erfunden. 

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Komponenten besteht die Braunsche Röhre?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Braunsche Röhre besteht aus Glühkathode, Wehneltzylinder, Anode, Ablenkplatten und Leuchtschirm.

Frage anzeigen

Frage

Wie werden die Elektronen für den Elektronenstrahl in der Brauschen Röhre erzeugt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Glühkathode ist ein Draht, an dem eine Heizspannung anliegt. Diese Spannung ist hoch genug, dass sich der Draht durch seinen Eigenwiderstand erwärmt. Der Draht wird so heiß, dass durch den glühelektrischen Effekt Elektronen aus der Heizwendel austreten können. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Aufgabe hat der Wehneltzylinder?

Antwort anzeigen

Antwort

 Am Wehneltzylinder liegt eine relativ zur Glühkathode negative Spannung an. Da der Zylinder die Kathode umgibt, werden die ausgetretenen Elektronen von ihm gebündelt und treten rechts durch ein Loch aus. 


Je nach anliegender negativer Spannung werden die Elektronen mehr oder weniger stark gebündelt. Damit lässt sich die Intensität des Elektronenstrahls und damit die Helligkeit des Bildpunktes am Bildschirm steuern.  

Frage anzeigen

Frage

Wofür liegt an der Anode eine Anodenspannung an?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Anode hat die Aufgabe, die aus dem Wehneltzylinder ausgetretenen Elektronen, in Richtung Bildschirm zu beschleunigen.


Da die im Anodenspannung im Vergleich zum Wehneltzylinder positiv ist, werden die Elektronen angezogen und bis hin zur Anode beschleunigt.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird der Elektronenstrahl abgelegt um Bilder zu erzeugen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ablenkung wird durch elektromagnetische Felder zwischen den Ablenkplatten erzeugt.  

Frage anzeigen

Frage

An welchen Teil der Braunsche Röhre kannst du das Bild betrachen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Am Leuchtschirm.

Frage anzeigen

Frage

In welchen Geräten findest Du die Braunsche Röhre?

Antwort anzeigen

Antwort

 In alten analogen Oszilloskopen und Fernsehern ist die Brausche Röhre als Bildschirm verbaut.

Frage anzeigen

Frage

Wie viele Paare Ablenkplatten benötigst Du für die Braunsche Röhre im Oszilloskop?

Antwort anzeigen

Antwort

Zwei Paare, eines für das Spannungsignal und ein für die zeitliche Ablenkung.

Frage anzeigen

Frage

Warum ist die Anodenspannung positiv im Vergleich zum Wehneltzylinder?

Antwort anzeigen

Antwort

Da diese Spannung im Vergleich zum Wehneltzylinder positiv ist, werden die Elektronen angezogen und bis hin zur Anode beschleunigt.

Frage anzeigen

Frage

Warum herrscht ein Vakuum in der  Braunschen Röhre?

Antwort anzeigen

Antwort

Dies ist nötig, um zu verhindern, dass die Elektronen mit Gasmolekülen der Luft kollidieren, was den Strahl abschwächen würde.  

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