Eine Geißler- oder Crooks-Röhre, wie sie im Englischen auch
genannt wird, ist eine Gasentladungsröhre. In ihr zeigen sich die
verschiedensten Leuchterscheinungen, die durch die Stromleitung unter verminderten
Druck erzeugt werden.
Alle Leuchterscheinungen beruhen auf der Tatsache, dass Gase nur dann
Strom leiten können, wenn sie Ionen oder Elektronen enthalten. Diese
können durch Hitze, Röntgenstrahlen oder Radioaktivität
erzeugt werden. Hier werden die Ladungsträger im Gas durch eine hohe
Spannung erzeugt. Die mit hoher Geschwindigkeit fliegenden Elektronen regen
dann Gasmoleküle zum Leuchten an.
Aufbau
Dieses Modell ist aus Plexiglas gefertigt. Man sollte damit aber vorsichtig
sein, da es sehr brüchig ist und implodieren kann.
Besser ist es sicher, eine Glasröhre von einem Glasbläser
anfertigen zu lassen. Dann kann man aber nicht so leicht die Elektroden
auswechseln, oder Gegenstände in das Innere hineinlegen.
Wenn man nur kleine Durchmesser verwendet, sind die Kraft nicht so
groß, und die Implosionsgefahr nicht so hoch.
Die Elektroden bzw. der Schlauchanschluss wurden einfach über ein
6mm Gewinde in die seitlichen Deckplatten geschraubt. Mit einer kleinen Gummidichtung
wird ein Lufteintritt verhindert. Die Dichtungen sollten immer außen
angebracht sein, da sie sich von selbst anpressen, wenn die Röhre evakuiert
wird. So ist es auch nicht nötig, die Deckplatten an die Röhre zu
pressen. Das erledigt der Luftdruck von selbst. Wenn man Versuche im Hochvakuum
durchführen will, sollte man die Dichtungen mit Hochvakuumfett oder mit
der etwas billigeren Vaseline bestreichen. Wichtig ist auch, dass alle Dichtflächen,
also auch die Dichtungen selbst eine möglichst glatte Oberfläche
haben. Durch kleine Kratzer kann bereits Luft in geringen Mengen eintreten.
Die Dichtheit kann verbessert werden, wenn man die Endplatten mit drei Gewindestangen
zusätzlich zum Unterdruck zusammenpresst.
Als Elektrodenmaterial empfiehlt sich Aluminium. Andere Metalle, wie z.B.
Kupfer haben die Eigenschaft, dass sie beim Auftreffen der Ladungsträger
sehr stark zerstäuben und die Röhre innen verunreinigen, was die
Sicht trübt und auch zu einer Vergrößerung der wirksamen Elektrodenfläche
führt. Die Elektroden sollten sorgfältig gereinigt und eventuell
auch poliert werden, denn an Verunreinigungen kann es zu einer vermehrten
Emission von Ladungen kommen, wodurch der Stromfluss durch die Röhre
unruhig wird, und die optischen Effekte nicht mehr so klar zu erkennen sind.
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Außendurchmesser 50mm
Innendurchmesser 40mm Länge 25cm |
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1cm dickes Plexiglas, 2mm tiefe Nut für Dichtung |
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2x 50mm AD, 40mm ID, 1mm dick
3x 11mm AD, 6mm ID, 1mm dick |
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2x 2mm dickes Alu-Blech mit 39mm Durchmesser. |
Vermindert man den Druck im Geißler-Rohr mit einer kleinen Membranpumpe
auf ca. 150mbar, so entsteht an den beiden spitzen Elektroden eine Glimmentladung.
Diese Entladung wurde durch Anlegen von ca. 20kV aus einem Zeilentrafo
erzeugt. Für mehr reicht dieser Druck auch nicht aus, es sei denn,
man verringert den Elektrodenabstand auf wenige mm.
Um doch noch etwas Spektakuläreres sehen zu können, habe ich
einen kleinen Ringmagnet in das Geißler-Rohr gelegt. Hierbei wirkt
sich ein Selbstbau-Rohr natürlich positiv aus. Der Magnet ist in einer
Minute drinnen. Wenn sie dann aber erst zum Glasbläser müssen.......
Der Magnet erzeugt einen sehr interessanten Effekt. Hinter dem Magneten
bildet sich eine kurze Leuchterscheinung aus. Auffallend ist, dass es egal
ist, wie man den Magneten hineinlegt. Die Leuchterscheinung tritt immer
auf der Seite der Anode (positive Spannung) auf. Daraus lässt sich
schließen, dass sie nicht durch die Magnetablenkung entsteht. Denn
das gleiche Ergebnis erreicht man auch, indem man einen Metallring in die
Röhre legt. Dadurch werden die Ladungsträger gezwungen, sich
auf engerem Raum zu bewegen, wodurch ihre ionisierende Wirkung steigt.
Um eine größere Entladung zu erzeugen, sollte man eine kleine
Funkenstrecke in den Stromkreis einbauen. Es reichen wenige mm Abstand
zwischen zwei Spitzen. Hier wurde das einfach durch einen kleinen Spalt
in der Anschlussklemme realisiert. Durch die entstehenden Stöße
werden die Ladungsträger leichter ionisiert, was zur Bildung eines
Plasmastromes führt. Die Funkenstrecke zündet mit einer sehr
hohen Frequenz, was sich in einem leichten zischen äußert. Die
verbesserte Stromleitung kann man durch die hohe Frequenz erklären,
wenn die Luft wie beim Mini-Teslatrafo
kapazitiv leitend wird. Deshalb ist es auch nicht möglich, den Plasmastrom
so leicht wie bei der Ablenkung im Magnetfeld magnetisch zu verformen.
Auch mit dem Mini-Teslatrafo kann mit der Geißlerröhre
experimentiert werden. Dazu wird die Röhre mit einer Elektrode auf
die Spitze des Teslatrafos gestellt. Die andere Elektrode bleibt frei.
Der Teslatrafo muss natürlich mit der zusätzlichen Kapazität
in Resonanz gebracht werden. Mit unter muss die Frequenz ganz beträchtlich
verringert werden, um überhaupt eine Entladung zu erzeugen.
Die unter verminderten Druck entstehende Entladung ist größer
und nicht so fein verästelt wie unter Normaldruck. Sie erinnert mit
den langsamen Bewegungen der langen Fäden schon mehr an das Erscheinungsbild
einer Plasmakugel.
Erhöht man jetzt den Druck z.B. durch das Abschalten der Pumpe langsam,
so geht der Anfangs recht stabile Plasmastrom in eine sprühende, instabile
Entladung über.
Ab einem gewissen Druck ist das Gas schon so isolierend, dass es nur mehr
in kurzen Abständen durchzündet, und so Entladungen erzeugt,
die denen einer Blitzröhre ähneln. Die Blitze sind auch viel
heller, als die vorherigen Entladungen. Auf diesem Bild sind drei hintereinander
folgende Blitze festgehalten.
Alle diese Zustände werden in diesem Video durchlaufen. Zu Beginn
ist das Glimmlicht im sehr hohen Vakuum zu sehen. Dann wird der Belüftungshahn
geöffnet und es bildet sich zunächst eine Plasmaentladung, die
dann in einzelne, kräftige Funken übergeht. Das Pfeifen im Hintergrund
stammt vom Zeilentrafo, der unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt
ist. Zu Beginn muss er mehr Strom liefern um die Entladung aufrecht zu
halten.
Bei noch geringeren Drücken von einigen mbar treten Glimmentladungen
auf. Nur mit einer sehr guten Pumpe, wie z.B. einer Drehschieberpumpe,
kann man in diesen Bereich vorstoßen. Es zeigt sich, dass mit sinkendem
Druck die Sprühentladung immer mehr in eine Glimmentladung übergeht.
Es ist gut zu erkennen, wie sich die Kathode (-, links) mit einer Leuchtschicht
überzieht, die sich von der Anode (+, rechts) weg ausbreitet.
Das kann soweit gehen, bis die ganze Kathode (-, links) eine starke Glimmentladung
aufweist. Durch die positiven Ionen, die auf der Kathode einschlagen,
werden Elektronen frei, die das intensive negative Glimmlicht erzeugen.
Auch die Leuchterscheinung vor der Anode (+, rechts) wird immer größer,
da die Geschwindigkeit der Ladungsträger steigt.
Es sieht rein optisch so aus, als würde etwas von der Anode zur
Kathode hin fliegen. Dieses Verhalten ist der eigentlichen Elektronenstromrichtung
entgegengesetzt. Es kommt daher, weil die positiven Ladungsträger,
also ionisierte Luftmoleküle, viel schwerer und daher energiereicher
sind, als einzelne Elektronen. Die positiven Ladungsträger werden
zur Kathode hin beschleunigt und erzeugen durch ihre große kinetische
Energie das intensive Glimmlicht. Sie rekombinieren durch die zufließenden
Ladungen anschließend zu neutralen Molekülen.
Wie groß die kinetische Energie der positiven Ionen ist, wird sichtbar,
wenn man eine plattenförmige Kathode mit einem Loch verwendet. Die
positiven Ladungsträger fliegen durch das Loch hindurch und treffen
die Kathode erst auf der Rückseite.
Aus diesem, der wirklichen Stromrichtung umgekehrten Verhalten kommt
es auch, dass wir die so genannte technische Stromrichtung verkehrt herum
definieren. Landläufig sagt man, der Strom fließe von Plus nach
Minus. Doch in Wirklichkeit bewegen sich die Elektronen von Minus nach
Plus. Auch das unterschiedliche Verhalten der Pole an einer Influenzmaschine führt zu der gleichen Fehleinschätzung.
Ab ca. 0,5mbar ist die Geschwindigkeit der Ladungsträger schon so
hoch, dass Laufzeiterscheinungen auftreten. Am stabilsten und schönsten
sind sie, wenn zwei plattenförmige Elektroden verwendet werden. Eine
Spitze ist hierfür nicht mehr notwendig, denn diese Erscheinung hat
nichts mehr mit einer Sprühentladung zu tun. Es bilden sich vor der
Anode (+, rechts) viele leuchtende Scheiben. Ihr Abstand steigt mit sinkendem
Druck.
Erklärung:
Ein Ladungsträger, der von der Anode weg fliegt, gewinnt seine
Energie aufgrund der Potentialdifferenz zur Kathode, die ihn anzieht. Seine
Geschwindigkeit steigt demnach mit zunehmendem Abstand zur Anode an. Der
Ladungsträger stößt auf seinem Weg zwangsläufig mit
neutralen Gasatomen zusammen. Bis zu einer gewissen Geschwindigkeit kommt
es dabei nur zu elastischen Stößen, ohne das sich das Gasatom
selbst verändert. Ab einer gewissen Geschwindigkeit aber hat der Ladungsträger
genügend Energie, um aus einem neutralen Atom Ladungen herauszuschlagen,
es also zu ionisieren.
Durch seinen Aufprall erzeugt er in einer Kettenreaktion weitere Ladungsträger
in diesem Bereich. Das führt dazu, dass dieser Teil leitfähiger
wird als der übrige Entladungsraum. In einem leitfähigen Bereich
sinkt aber die Feldstärke ab und somit auch die Beschleunigungskraft,
die auf die Ladungsträger wirkt. Diese besitzen dann nicht mehr die
Energie, um neue Ladungen herauszuschlagen. Im anschließenden Bereich
sind sie zu langsam, um neutrale Atome zu ionisieren. Es stellt sich nach
einem sichtbaren Knoten wieder ein dunklerer, wenig ionisierter Raum ein.
Dort aber steigt die Feldstärke wieder an, die Ladungsträger
werden auf eine höhere Energie beschleunigt und es ist ihnen wieder
möglich neutrale Atome zu ionisieren, es bildet sich der nächste
Knoten.
Das Video zeigt, wie diese Scheiben mit steigendem Druck zurückweichen.
Nach Erreichen des Endvakuums wurde die Pumpe abgestellt, wodurch der Druck
durch kleine Undichtheiten sofort wieder ansteigt. Der Abstand zwischen
den Ringen und deren Anzahl wird deshalb schnell kleiner. Auch der Dunkelraum
und das Glimmlicht an der Kathode (links) wird schnell weniger.
Gleichrichtungseffekt
Im hohen Vakuum, von etwa 10^-2mbar, in dem sich die leuchtenden Scheiben bilden, kann
bei Betrieb mit Wechselspannung ein Gleichrichtungseffekt beobachtet werden.
Dieser ist nur von der Oberfläche der Elektroden, also im Wesentlichen von
ihrer Form abhängig. Hier wurde auf einer Seite eine Spitze verwendet
und auf der anderen eine Platte.
Die Versorgung erfolgt mit einem 2x3,5kV/50mA Neontrafo.
Dieser ist in der Mitte der Sekundärspule geerdet, wodurch nur
eine Spulenhälfte benutzt werden kann, um die Strommessung in der
Masseleitung durchführen zu können. Dazu wird ein 1Ohm
Widerstand
in die Masseleitung eingebaut und an ihm der Spannungsabfall gemessen.
Mit
einem Hochspannungstastkopf kann man zusätzlich auch noch die
Spannung
an der Röhre messen, was aber für den grundsätzlichen
Beweis
nicht nötig ist. Ein Lastwiderstand wir keiner benötigt, da
der
Zündtrafo keine Probleme damit hat kurzgeschlossen zu werden.
Erklärung:
Erklären kann man diesen Effekt, den wir sonst nur von beheizten Röhren her kennen, durch die unterschiedlichen Massen bzw. Volumen von negativen und positiven Ladungsträger. Die negativen Ladungen werden durch die Elektronen transportiert, die extrem klein und leicht sind. Sie können auch gut aus einer kleinen Oberfläche in großen Mengen austreten. Die positiven Ladungen werden durch die Luftmoleküle, denen Elektronen entzogen wurden, transportiert. Diese sind sehr groß und schwer und unterliegen den mechanischen Gesetzen der Raumnutzung. (Erweitertes Raumnutzungsgesetz: Wo ein Körper ist, kann zugleich kein zweiter sein, weil ein dritter den vierten bereits den Weg versperrt) Wenn die großen Moleküle ihre Ladung auf eine kleine Oberfläche abgeben müssen, so erfolgt dies langsamer, als wenn eine große Fläche zur Verfügung steht. Sie müssen die Elektrode ja berühren und werden dann ungeladen von ihr abgestoßen, dabei müssen sie durch die nachdrängenden Moleküle zurück und erst dann ist der Platz wieder frei für die nächste Umladung. Das kommt im elektrischen Sinn einer Widerstandserhöhung gleich.
Im Mittel fließt so ein vermehrter Elektronenstrom von der großen Fläche zur kleinen, weil der Materiestrom der Moleküle in dieser Richtung einen höheren Widerstand vorfindet. Da aber unsere technische Stromrichtung umgekehrt zum Elektronenstrom definiert ist, was leicht zu Verwirrungen führen kann, fließt der Gleichstromanteil letztendlich von der kleinen Fläche zur großen.
Dieses Verhalten ist umgekehrt zu normalen Gleichrichterröhren, was zeigt, dass es von deren Funktionsprinzip grundlegend verschieden ist. Bei beheizten Vakuumröhren besitzt normalerweise die Anode, wegen der besseren Kühlung, die größere Fläche, während die Heizkathode eine sehr geringe Oberfläche aufweist, um die Strahlungsverluste der Heizung gering zu halten. Bei diesen Röhren fließt der Gleichstrom (nicht der Elektronenstrom !) immer von Anode zur Kathode, also von der großen Fläche zur kleinen Fläche.
Alle bisherigen Versuche waren noch mit einer Drehschieberpumpe möglich, für die jetzt folgenden benötigt man eine richtige Hochvakuumpumpe, wie z.B. eine Turbomolekularpumpe oder eine Diffusionspumpe.
Es ist auch ratsam, einen etwas anderen Aufbau zu wählen, denn wird
die Röhre wie bisher, über einen Schlauch an die Pumpe angeschlossen,
so ist deren Saugleistung sehr gering, man kann sich nicht einmal minimale Lecks erlauben und vor allem hat man Probleme, den
Aufbau dicht zu bekommen. So wurde die Geißlerröhre direkt auf
der Turbopumpe montiert.
Das Video zeigt zunächst den weiteren Verlauf der Entladungen bis hin
zum völligen Vakuum, in dem keine Leuchterscheinungen mehr auftreten.
Für den Versuch wurde die Turbopumpe bereits hochgefahren (=hohes Surren am Anfang), da dies sehr
lange dauert, und nur die Vorvakuumpumpe abgeschaltet. Dadurch kann die Turbopumpe
auch nicht richtig arbeiten und der Druck entspricht etwas den, wie zu Beginn
des letzten Videos mit den charakteristischen
Scheiben. Versorgt wird die Röhre über den Zeilentrafo mit ca. 20kV. Wird dann die Vorpumpe eingeschaltet, so ziehen sich die Scheiben
rasch zurück, bis nur noch ein gleichmäßiges Glimmen über
die gesamte Röhre herrscht. Mit sinkendem Druck verkleinert sich auch diese
Entladung immer weiter, bis sie schließlich völlig
erlischt.
Röntgenstrahlen
Die Entladung im Hochvakuum beginnt sich immer weiter einzuschnüren,
bis nur noch ein dünner Strahl aus der Mitte der Elektrodenplatten ausgeht.
In diesem Zustand fliegen die Ladungsträger extrem schnell und erzeugen
beim Aufprall auf den Elektroden Röntgenstrahlen. Das wird hier mit dem
Geigerzähler im Hintergrund bewiesen (Anzeige nur in Impulsen). Wer
keinen Geigerzähler besitzt, kann die Strahlen auch mit einem Elektroskop nachweisen, so wie das bei der Röntgenröhre im Eigenbau gemacht wurde. Solange noch starke Leuchterscheinungen
in der Röhre auftreten, misst er nur die normale Hindergrundstrahlung.
Wenn die Leuchterscheinung bis auf einen feinen Strahl zurückgegangen
ist, beginnt er heftig auszuschlagen, was sogar den Messbereich sprengt und
durch lautstarkes Piepsen signalisiert wird. Sinkt der Druck noch weiter,
so hört die Strahlung wieder auf, da dann keine freien Ladungsträger
mehr vorhanden sind, die Strom transportieren könnten. Das ist auch
der Grund, warum normale Röntgenröhren immer eine beheizte Kathode
haben.
Das Vakuum ist wohl der Zustand, indem die Naturgesetze in ihrer reinsten,
unverfälschten Art und Weise gelten. So stellen sich den Ladungsträgern
nicht viele Moleküle in den Weg. Darum ist es sehr interessant, Versuche
mit Entladungsröhren durchzuführen, um damit Freie Energie zu
gewinnen.
Zu diesem Thema gibt es auf dem Patentserver einige Patente von Paulo
N. Correa und Alexandra N. Correa.