Elektronenröhre

Eine Elektronenröhre ist ein verschlossener, luftleer gepumpter Glaskolben, in dem ein geheizter Faden Elektronen aussendet, die zu einer Metallplatte wandern. Mit zwei Elektroden lässt sie den Strom nur in einer Richtung durch; mit einem Drahtgitter zwischen Faden und Platte steuert eine kleine Spannung einen großen Strom. 1883 meldete Thomas Edison eine Lampe mit zusätzlicher Elektrode zum Patent an, die die Netzspannung anzeigte, und 1904 nutzte John Ambrose Fleming eine solche Röhre, um Funkwellen nachzuweisen. Röhren trugen danach den Rundfunk, das Ferngespräch und die ersten elektronischen Rechner.

Was es ist

Eine Elektronenröhre ist ein verschlossener, luftleer gepumpter Glaskolben mit zwei oder mehr Metallelektroden, deren Drähte durch das Glas zu Stiften im Sockel führen. Eine Elektrode, die Kathode, wird geheizt, meist als dünner Faden, der glüht wie der einer Glühlampe. Eine andere, ein Metallblech um sie herum, ist die Anode. In Großbritannien hieß die Röhre „valve“, Ventil, weil der Strom sie nur in einer Richtung durchfließt.

Die Röhre mit zwei Elektroden, die Diode, macht aus Wechselstrom einen Strom, der in eine Richtung fließt, und holt den Ton aus einem Funksignal. Die Röhre mit drei Elektroden, die Triode, hat zusätzlich ein Gitter aus feinem Draht zwischen Faden und Anode und wird zum Verstärker: Ein schwaches Signal am Gitter erscheint an der Anode als viel stärkere Kopie. Vor dem Transistor verstärkten Röhren die Stimmen im Ferngespräch, ermöglichten den Rundfunk und schalteten in den ersten elektronischen Rechnern.

Wie es funktioniert

Ein bis zum Glühen erhitztes Metall gibt Elektronen aus seiner Oberfläche ab, ähnlich wie eine heiße Flüssigkeit Dampf abgibt. In einer Lampe mit einer zusätzlichen Elektrode stellte Thomas Edison fest, dass nur dann ein Strom zu dieser Elektrode floss, wenn sie gegenüber dem Faden positiv war; die Edison Papers der Rutgers University datieren die erste Beobachtung auf den 13. Februar 1880, das IEEE auf 1883. Dieser Strom ist ein Fluss von Elektronen durch den leeren Raum. Das Vakuum zählt doppelt: Die Elektronen fliegen, ohne auf Gasmoleküle zu stoßen, und der heiße Faden verbrennt nicht.

In einer Diode werden die negativen Elektronen von der Anode angezogen, wenn sie positiv ist, und zurückgestoßen, wenn sie negativ ist. Strom kann die Röhre also nur in einer Richtung durchqueren. Fleming nutzte das, um die schnellen Schwingungen an einer Antenne in einen Strom zu verwandeln, den ein Messgerät oder ein Hörer anzeigen konnte, und später lieferten Dioden den Radiogeräten den Gleichstrom, den sie aus dem Wechselstromnetz brauchten.

In einer Triode fliegen die Elektronen vom Heizfaden zwischen den Gitterdrähten hindurch zur Anode.

In einer Triode sitzt das Gitter viel näher am Faden als die Anode. Ein leicht negatives Gitter schickt viele Elektronen zurück, ein weniger negatives lässt mehr durch, und weil es so nah ist, bewirkt eine kleine Änderung der Gitterspannung eine große Änderung des Anodenstroms. Führt man einen Teil des Ausgangs von der Anode zum Gitter zurück, schwingt die Röhre mit gleichmäßiger Frequenz; so erzeugten Röhrensender ihre Wellen. Spätere Röhren erhielten weitere Gitter und statt des blanken Fadens eine beschichtete, von innen geheizte Hülse, doch das Prinzip blieb dasselbe.

Röhren brauchen eine niedrige Spannung zum Heizen des Fadens und eine viel höhere für die Anode. Röhrengeräte arbeiten mit Spannungen, die töten können, ihre Kondensatoren bleiben nach dem Ausstecken geladen, und ihr Glas wird heiß und kann bei einem Sprung implodieren. Alte Radios und Verstärker sollten nur von ausgebildeten Fachleuten geöffnet und repariert werden.

Geschichte und Entwicklung

Am 15. November 1883 meldete Thomas Edison einen elektrischen Anzeiger zum Patent an. Es war eine gewöhnliche Kohlefadenlampe mit einem Platinstück zwischen den Schenkeln des Fadens, das mit einem Galvanometer außerhalb des Kolbens verbunden war. Der Strom, der durch das Vakuum zum Platin floss, stieg und fiel mit der Helligkeit der Lampe, sodass das Galvanometer Änderungen der Netzspannung anzeigte; seine Nadel konnte zudem Kontakte schließen, die Regler betätigten. Das Patent wurde im Oktober 1884 erteilt.

Flemings Oszillationsventil von 1904: eine Lampe mit einem Metallblech neben dem Faden.

John Ambrose Fleming, Professor am University College London, hatte von 1881 bis 1891 die Londoner Edison-Lichtgesellschaft beraten und den Edison-Effekt untersucht. 1899 wurde er wissenschaftlicher Berater der Funkgesellschaft Marconis, die bessere Detektoren suchte. Im Oktober 1904 probierte er Lampen mit einem Metallblech aus und stellte fest, dass sie Funkschwingungen gleichrichteten. Am 16. November 1904 meldete er sein „Oszillationsventil“ zum Patent an. Das Science Museum in London bewahrt ein Ventil auf, das die Firma Edison and Swan für ihn baute und das er im Oktober 1904 benutzte, sowie Versuchslampen von 1889, die er in jenem Jahr wieder hervorholte.

Lee de Forests Audion setzte ein Drahtgitter zwischen Faden und Anode.

Nachdem er Flemings Aufsatz von 1905 gelesen hatte, setzte Lee de Forest in New York 1906 eine dritte Elektrode, einen Zickzackdraht, zwischen Faden und Anode. Er nannte die Röhre Audion und glaubte, dass das Restgas darin zu ihrer Wirkung beitrug. Bei Western Electric fanden Harold Arnold und sein Team heraus, dass die Röhre umso besser arbeitete, je vollständiger sie leer gepumpt war. Im Oktober 1913 kamen Hochvakuumverstärker auf eine Fernsprechleitung, die von New York ausging, und mit Röhrenverstärkern entlang der Strecke wurde die Telefonleitung von New York nach San Francisco am 25. Januar 1915 eröffnet.

In den 1920er- und 1930er-Jahren brachten Röhren den Rundfunk in die Wohnungen. ENIAC, der an der University of Pennsylvania gebaute und im Februar 1946 vorgestellte elektronische Rechner, enthielt mehr als 17.000 Röhren, und genug davon gleichzeitig funktionsfähig zu halten, war das Hauptproblem seiner Erbauer. Ab den 1950er-Jahren übernahm der Transistor, kleiner, kühler und langlebiger, den größten Teil ihrer Arbeit.