Geißlerröhre

Geißler-Röhre 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.
Röhre
Außendurchmesser 50mm 
Innendurchmesser 40mm 
Länge 25cm
Deckplatten
1cm dickes Plexiglas, 2mm tiefe Nut für Dichtung
Gummidichtungen
2x 50mm AD, 40mm ID, 1mm dick 
3x 11mm AD, 6mm ID, 1mm dick
Plattenelektroden
2x 2mm dickes Alu-Blech mit 39mm Durchmesser.
 

Glimmentladung 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.

Magnet im Geißler-Rohr 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.

Plasmastrom 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.
 

Sprühentladung 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.

Blitzentladungen 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.

MPEG-Video 452kB 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.


Beginnende Glimmentladung  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.

Glimmentladung 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.

Laufzeiterscheinung 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.

MPEG-Video 125kB 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
Gleichrichtung
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.

Laufzeiterscheinung 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.

Laufzeiterscheinung Zunächst wurde ein Oszillogramm im Betrieb mit zwei gleich großen Elektrodenplatten aufgenommen und in REF1 gespeichert. Die Spannung in CH1 zeigt eine Verzerrung der Sinusform, die darauf zurückzuführen ist, dass Neontrafos immer als Streufeldtrafos ausgeführt sind, und daher einen relative großen Innenwiderstand haben, der sie ideal zum Betreiben von Gasentladungsröhren macht. Der Stromfluss in REF1 zeigt eine reine Wechselgröße, ohne jeglichen Gleichanteil, so wie man es bei einem linearen Bauteil auch erwarten würde.
Anschließend wurde die untere Plattenelektrode, gemäß dem Schaltplan durch eine Spitzenelektrode ersetzt. Zunächst zeigt sich, dass dadurch die Röhre etwas hochohmiger wurde, der Stromfluss ist geringer geworden. Der Gleichrichtereffekt wird deutlich in der asymmetrischen Verzerrung im Stromfluss (CH2) sichtbar. Dessen Kurvenverlauf liegt weit unter der Mittellinie, da die positiven Halbwellen sehr stark abgeschwächt werden. Es kann ein Gleichstromanteil von über -5mA gemessen werden. Aus dem negativen Vorzeichen folgt die Gleichstromrichtung gemäß dem Schaltplan gegen den Uhrzeigersinn

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.

Versuche im Hochvakuum

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.

Hochvakuum 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.

MPEG-Video 765kB 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
MPEG-Video 1427kB 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.


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