Die Braunsche Röhre als Beispiel einer Elektronenröhre materialisiert in ihrer Funktion als Bildschirm

Inhaltsverzeichnis

Einleitung
Ferdinand Braun

Entwicklung der Kathodenstrahlröhre
Edison Effekt
Wehnelt Zylinder
Lieben Röhre
Lee de Forest

Verwendung der Kathodenstrahlröhre
Mechanisches Fernsehen
Elektronisches Fernsehen

Anfänge der Entwicklung von Computern

Funktionsprinzip der Kathodenstrahlröhre
Photo-Effekt

Vorgeschichte der Entwicklung von Transistoren

Funktionsprinzip von Transistoren
Prinzip eines Halbleiters
Funktionsprinzip eines Bipolartransistors

Funktionsprinzip von Flachbildfernsehern

Diskussion

Literaturverzeichnis

Einleitung

Vor mehr als hundert Jahren entwickelte Ferdinand Braun 1897 das Prinzip der nach ihm benannten Braunschen Röhre. Damit verhalf er einer Technologie, die im Laufe des 19. Jahrhunderts entwickelt worden war, zu ihrem großen Durchbruch. Er nutzte die Emission von Elektronen einer beheizten Kathode innerhalb einer evakuierten Röhre mit Hilfe der Ablenkung durch magnetische Felder, um auf einem fluoreszierenden Schirm Daten zu visualisieren. Damit legte er den Grundstein für die Entwicklung einer Medientechnologie, die einen prägenden Einfluss auf das 20. Jahrhundert haben sollte. Nicht nur im wissenschaftlichen Bereich, sondern vor allem durch die Entwicklung des elektronischen Fernsehens durch Manfred von Ardenne 1930, entstand eine Technologie, die eine sehr weite Verbreitung erfahren sollte und damit einen ungeheuren Einfluss auf das gesamte kulturelle und gesellschaftliche Leben der Menschen nehmen konnte. Der Fernseher kann als eines der wichtigsten technischen Geräte des 20. Jahrhunderts angesehen werden, da er einen so immensen Einfluss auf die Kommunikation und Kultur der gesamten Menschheit bis heute hat. Viele Diskussionen entzündeten sich an der neuen Technologie des Fernsehens, wobei in der öffentlichen Diskussion oft der Unterschied zwischen einem Medium und seinem Inhalt vernachlässigt wird. Doch nicht nur in ihrer Verwendung als Bildschirm zur Darstellung für (bewegte) Bilder, Texte und Töne spielte die Elektronenröhre eine wichtige Rolle. Auch in der Verwendung als Schaltelement, als Verstärker, Empfänger und Gleichrichter trug die Elektronenröhre entscheidend zur Weiterentwicklung von verschiedensten Technologien bei. So arbeiteten die ersten Radios, Telefone, Computer und andere technischen Apparaturen mit der Verwendung von Elektronenröhren. Im Laufe der Zeit wurde die Röhre allerdings durch andere Technologien, wie den Transistor verdrängt. Nur als Bildschirm konnte sich die Röhre bis in das 21. Jahrhunderts hinein behaupten.

Die Braunsche Röhre hat sich deshalb so lange als Medientechnologie gehalten, weil sie ein durch ihre Bauweise generiertes technisches Prinzip zur Bilderzeugung auf elementarer Ebene verwandte, das von keiner anderen Technologie in dieser Art und Weise mit so hoher Qualität erzeugt werden konnte. Anderen Anwendungen von Elektronenröhren wie z.B. als Verstärker, Gleichrichter oder als Schaltelement nutzen zwar eine prinzipiell gleiche Technologie wie die Braunsche Röhre, aber nicht auf die gleiche Art und Weise. In dem Fernsehbild materialisiert sich die technische Bauweise der Braunschen Röhre auf genuine Art und Weise in einem Maße, wie es bei anderen Anwendungen der Elektronenröhren nicht der Fall ist. Aus diesem Grund konnte erst durch die Entwicklung von LCD- und Plasma-Technologie eine Nachfolgetechnologie für die Braunsche Röhre gefunden werden.

Diese These werde ich in der vorliegenden Arbeit versuchen zu beweisen. Dazu werde ich zunächst die technischen und physikalischen Erfindungen und Entwicklungen skizzieren, die der Entwicklung der Kathodenstrahlröhre voran gegangen sind. Im Anschluss folgt eine chronologische Beschreibung der einzelnen Schritte der Verbesserung von Elektronenröhren bis hin zur Erfindung des vollelektronischen Fernsehens durch Manfred von Ardenne 1930. Das mechanische Fernsehen auf der Basis der Nipkow-Scheibe soll als Vergleich dazu beschrieben werde. Des Weiteren werde ich eine kurze Geschichte der Entwicklung der ersten Computer darstellen. Dieser Bereich soll allerdings nur angerissen werden, da hier die Kathodenstrahlröhre als Bildschirm im Vordergrund stehen wird. Andere Verwendungen, wie z.B. als Gleichrichter, Schaltelement oder Verstärker werden mit erwähnt. Dem folgt eine Funktionsbeschreibung der Elektronenröhre, wie Ferdinand Braun sie konstruierte, sowie des von Albert Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie 1905 entdeckten Photo-Effektes. Damit soll die Beschreibung zur Entwicklung und Verbreitung von Elektronenröhren abgeschlossen sein. Im weiteren Verlauf konzentriere ich mich darauf, die Technologien zu beschreiben, die die Elektronenröhre abgelöst haben. Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges gelang es, Transistoren zu Konditionen zu produzieren, die eine massenhafte Verbreitung ermöglichten. Transistoren lösten die Elektronenröhre auf dem Gebiet der Schaltelemente, als Verstärker und auch als Gleichrichter ab. Im Anschluss werde ich kurz auf das Funktionsprinzip von LCD- bzw. Plasmafernsehern eingehen, um auch in diesem Gebiet den Nachfolger der Elektronenröhre vorzustellen. In der abschließenden Diskussion soll dann die Frage geklärt werden, warum sich Röhren ausgerechnet in ihrer Verwendung als Bildschirm so lange halten konnten, während auf anderen Gebieten längst Technologien entwickelt wurden, die die Aufgaben von Röhren wesentlich effizienter und kostengünstiger ausführen konnte.

Ferdinand Braun

Ende des 19. Jahrhunderts bahnten sich große Fortschritte in der Physik an. Viele neue Entdeckungen wurden gemacht, die mit zur Entwicklung der Braunschen Röhre beitrugen. 1832 formulierte Michael Faraday (1791-1867) seine unter dem Namen Faradaysche Gesetze bekannt gewordenen Postulate. Durch seine Forschungen legte er den Schluss nahe, dass sich Ladungen in kleinsten diskreten Einheiten definieren lassen, wie es später Robert Andrews Millikan (1969-1953) in seinem Millikan-Versuch 1910 bewies. Diese Entdeckungen waren ein wichtiger Schritt hin zu der Entwicklung eines Atommodells. Durch die Entdeckung der Elektronenstrahlen begann W. C. Röntgen (1845-1923) die Wirkung der Strahlen näher zu erforschen. 1895 entdeckte er die später nach ihm benannten Röntgen-Strahlen. In der Zeitschrift „Physik und Chemie“ der physikalischen Gesellschaft in Berlin, 1897 herausgegeben von G. und E. Wiedemann, veröffentlichte Ferdinand Braun im dritten Heft seine Arbeit mit dem Titel „Ueber ein Verfahren zur Demonstration und zum Studium des zeitlichen Verlaufs variabler Ströme“ In dieser Arbeit legte er seine Forschungsergebnisse zu der Ablenkung von Elektronenströmen in einer Kathodenstrahlröhre erstmals dar. In dieser Arbeit beschreibt Braun den Aufbau und die Wirkungsweise seiner Kathodenstrahlröhre, mit der es ihm unter anderem gelang, sinusförmige Kurven einer Wechselspannung auf einem fluoreszierenden Schirm darzustellen. Die erste Nutzung dieser Röhre war also eine bildgebende, wenn auch zunächst nur zu experimentellen Zwecken. Später wurden Kathodenstrahlröhren zu verschiedensten Zwecken verwendet.

Im Jahre 1909 erhielt Ferdinand von Braun, zusammen mit seinem italienischen Kollegen Guglielmo Marconi den Nobelpreis für Physik „als Annerkennung ihrer Verdienste um die Entwicklung der drahtlosen Telegraphie“^[1] Marconi wird als Erfinder der drahtlosen Telegraphie angesehen. Ihm gelang es 1899 eine erste drahtlose Verbindung über den Ärmelkanal herzustellen und bereits zwei Jahre später errichtete Marconi eine drahtlose Verbindung über den Atlantik zwischen Cornwall und Neufundland. Erst im Jahre 1912 gelang es Max von Laue (1879-1960) und Walter Friedrich (1883-1963) die Wellennatur der Elektronenströme nachzuweisen.

Andere Elektronenröhren wurden in vielen verschiedenen Gebieten eingesetzt. Generell lassen sich Elektronenröhren als Gleichrichter, Schaltelement und Verstärker, unter anderem in der Medizin-, der Radar- und der Rundfunktechnik verwenden. „Während die Radioröhre, wie sie von Robert von Lieben und von Lee De Forest um 1906 erfunden wurde, schon weitgehend verschwunden und durch Transistoren ersetzt ist, hat sich die Bildröhre bis heute als Fernsehbildröhre und als Bildschirm für den Computer erhalten.“^[2] Die Funktionen der meisten Elektronenröhren werden heute durch den Einsatz von Dioden und Halbleitern ersetzt, die gegenüber der Elektronenröhre einige entscheidende Vorteile bieten. An erster Stelle sind Dioden in der Verwendung als Schaltelemente wesentlich schneller. Nur die Braunsche Röhre in Fernseh- und Computerbildschirmen wurde bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts produziert und wird erst in den letzten Jahren durch Plasma- und LCD- Technologie abgelöst. Neben der Verwendung als Bildschirm erlebt die Elektronenröhre heute als Gitarrenverstärker bei Liebhabern und Nostalgikern eine erneute Verbreitung.

Entwicklung der Kathodenstrahlröhre

Wie bei so vielen Entwicklungen in der Elektrotechnik des 19. Jahrhunderts leistete auch bei der Kathodenstrahlröhre Thomas Alva Edison (1847-1931) einen Beitrag. Bei seiner Glühlampenfabrikation beobachtete Edison den Effekt, „dass sich bei Glühlampen, die sich nach längerem Gebrauch schwärzten, mitunter ein heller Streifen gegenüber dem am positiven Pol angeschlossenen Ende des Glühdrahtes zeigte.“^[3] 1883 meldete er eine Konstruktion auf diesem Effekt aufbauend als Anzeigegerät für Spannungsschwankungen in Stromkreisen zum Patent an. Dieser Effekt wurde später nach seinem Entdecker Edison- Effekt benannt. Bereits 1858 hatte der deutsche Mathematiker und Physiker Julius Plücker

(1801-1868) zusammen mit seinem Kollegen Heinrich Geißler mit elektrischen Spannungen innerhalb einer evakuierten Röhre geforscht; er gilt als der Entdecker der Kathodenstrahlen.^[4] Plücker forschte über die Entladung von elektrischen Gasen. Dabei stellte er fest, dass sich an den Wänden des Kolbens eine farbliche Veränderung abzeichnete, wenn er zwischen der Kathode und der Anode eine elektrische Spannung anlegte. Einige Jahre später setzte der deutsche Physiker Eugen Goldstein (1850-1930) die Forschungen an der Kathodenstrahlröhre fort. Auf ihn geht auch der Begriff „Kathodenstrahlung“ zurück. Goldstein stellte fest, dass sich mithilfe von Magnetfeldern eine Ablenkung der Strahlung erzielen ließ. Er nannte dieses 1876 entdeckte Phänomen „Deflexion der Kathodenstrahlen“.^[5] 1897, im gleichen Jahr als Ferdinand Braun seine Erkenntnisse veröffentlichte, stellte der britische Nobelpreisträger J. J. Thomson (1856-1940) fest, dass es sich bei der Kathodenstrahlung um einen Strahl von Elektronen handeln müsse.

Edison Effekt

Durch Thomsons Forschungen ließ sich auch der Edison-Effekt anhand des Modells der Elektronen nachvollziehen. Wird eine Spannung an der Kathode angelegt, so setzen sich die Elektronen in Bewegung. Durch die Bauweise und den elektrischen Widerstand der Kathode kommt es zu einer Erhitzung, wenn eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird. Als Folge davon überwinden die Elektronen die Austrittsarbeit und treten als freie Elektronen in den Raum aus. Wenn sich in der Nähe der Kathode kein elektrisches Feld befindet, so sammeln sich die Elektronen in einer Wolke um die Kathode an. Findet dieser Prozess innerhalb eines elektrischen Feldes statt, so werden die Elektronen zur Anode hin beschleunigt und man spricht von einem Elektronenstrom. Damit waren alle Voraussetzungen geschaffen, dass Ferdinand Braun 1896/97 in seinem Labor in der Universität von Straßburg die später nach ihm benannte Braunsche Röhre konstruieren konnte, mit der es erstmals möglich wurde, die Kathodenstrahlung mithilfe der Ablenkung durch magnetische Felder zu steuern. Ferdinand Braun gelang es verschiedene Figuren, u.a. einen Kreis und ein Kreuz auf einem fluoreszierenden Schirm darzustellen. Dafür legte er ab den magnetischen Ablenkplatten eine elektrische Wechselspannung an, die zunächst eine sinusförmige Kurve verursachte. Durch die Verwendung von verschiedenen Spulen und Eisenkernen innerhalb der Spulen gelang es ihm und seinen Wissenschaftlern diese Strahlen zu steuern.

Wehnelt Zylinder

Eine entscheidende Verbesserung brachte die Erfindung des deutschen Physikers Arthur Wehnelt (1871-1944). Der nach ihm benannte Wehneltzylinder sorgte dafür, dass mit einer geringeren Anodenspannung gearbeitet werden konnte und dass der Elektronenstrahl stärker fokussiert werden konnte, um so ein diskreteres Bild auf dem fluoreszierenden Schirm zu erhalten. Dazu wurde der Zylinder in unmittelbarer Nähe der Kathode angebracht und im Vergleich zu der Kathode mit einem negativen elektrischen Potential aufgeladen. Da die freien Elektronen jeweils negativ geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab und es kommt zu einer großen Streuung. Erst mit der Fokussierung durch den Wehneltzylinder ist es möglich, einen diskreten Elektronenstrahl zu erzeugen. Ein weiterer Effekt des Zylinders ist die Manipulation der Helligkeit des Elektronenstrahls. Wird die Spannung, welche an dem Zylinder anliegt, verändert, ändert sich proportional die Intensität des Elektronenstrahls, da sich die Anzahl der Elektronen ändert, die das Potential überwinden und sich so aus dem Material der Kathode lösen können.

Lieben Röhre

Eine andere Nutzung der Kathodenstrahlröhre als zu bildgebenden Zwecken, strebte der österreichische Physiker Robert von Lieben (1878-1913) an. Sein Ziel war es, einen Telefonverstärker zu konstruieren. Die Verstärkung des Signals stellte in den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts eines der zentralen Probleme bei der drahtgebundenen Telegraphie und Telefonie dar. Obwohl es 1901 dem italienischen Physiker Guglielmo Marchese Marconi (1874-1937) gelungen war, ein Signal drahtlos über den Atlantik zu funken, dauerte es noch eine ganze Weile bis sich diese Technologie durchsetzen konnte und die Telegraphie basierte weiterhin auf Drähten. Von Lieben also meldete 1906 ein Patent an, dass er Kathodenstrahlrelais nannte. Dieses Schaltelement „bestand aus einem weitgehend luftleeren Glaszylinder, an dessen einem Ende eine Kathode aus Kaliumoxid eingeschmolzen war. Die gewölbte Kathode sandte Elektronenstrahlen aus, die ihren Brennpunkt im Innenraum zweier konzentrisch angebrachter Anoden hatten. Kathoden- und Anodenspannung wurden durch zwei Batterien erzeugt. Den Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels steuerte das Magnetfeld einer Spule, die den Glaszylinder kurz vor der Kathode umschloss. Dadurch erreichte von Lieben, dass sich der Strom in der inneren Anode änderte. Das Kathodenstrahlrelais diente als Telefonverstärker, wenn man die Spule mit den ankommenden Wechselstromsignalen speiste und den dadurch gesteuerten Anodenstrom zur weiteren Übertragung verwandte.“^[6]

Lee de Forest

Ein ähnliches Patent wie Robert von Lieben meldete 1907 Lee de Forest (1873-1961) an, das Drei-Elektronen-Audion. Durch die Verwendung eines Gitters als Steuerelement im Strahlengang der Elektronen konnte die Elektronenröhre als Verstärkerelement von drahtlosen Signalen eingesetzt werden. De Forests Erfindung wurde einige Jahre später durch Robert von Lieben weiterentwickelt. Das Steuergitter in der Triode regelt den Elektronendurchfluss und hat so eine verstärkende Wirkung. Später wurden Elektronenröhren weiterentwickelt und zusätzliche Gitter hinzugefügt. Solche Elektronenröhren sind unter den Namen: Terode, Pentode, Hexode, Heptode, Oktode oder Ennode entsprechend der griechischen Zahlen bekannt.

Verwendung der Kathodenstrahlröhre

Wie viele andere nicht nur medientechnologische Entwicklungen wurde auch die Braunsche Röhre zunächst zu wissenschaftlichen Zwecken, zur Datenanalyse verwendet, bevor sie eine weitere Verbreitung in den Medien bzw. der Presse zur Übermittlung von Inhalten durch den Fernsehempfang verwendet wurde. Zunächst lassen sich verschiedene technisch mögliche Anwendungsprinzipien aufzählen. Eine weit verbreitete Anwendung ist der Oszillograph. Bei dieser Apparatur wird der Strahl der Elektronen so gesteuert, dass er mit konstanter Geschwindigkeit von links nach rechts über den Bildschirm wandert und vertikal durch das eingespeiste Signal abgelenkt wird. Diese Funktion eignet sich vor allem zur Datenanalyse. Bei der Vektorablenkung wird der Elektronenstrahl über zwei voneinander unabhängige Steuersignale horizontal und vertikal abgelenkt und zeichnet direkt ein Bild auf den fluoreszierenden Schirm. Bei diesem Verfahren kann durch die technische Anordnung die Helligkeit des Bildes auf dem Schirm moduliert werden. Des Weiteren werden Kathodenstrahlröhren in Elektronenmikroskopen und zur Belichtung in der Halbleiterfertigung verwendet. Die mit Sicherheit am weitesten verbreitete Funktion ist die Rasterablenkung. Hier wird der Elektronenstrahl immer wiederkehrend zeilenförmig abgelenkt, so dass sich ein vollständiges Bild ergibt. Dieses Prinzip findet vor allem in Fernseh- und Computerbildschirmen Anwendung.

Noch vor dem ersten Weltkrieg wurde eine weitere Anwendung der Elektronenröhre entdeckt.

„1913 entdeckten in Deutschland Alexander Meißner, in den USA Edwin Armstrong und schließlich auch de Forest selbst, dass, wenn man die Röhre mit sich selbst rückkoppelte, den Anodenstrom also wieder auf den Gitterstrom schaltete, die Röhre sich in einen Hochfrequenzoszillator verwandelte, das heißt: in einen Sender. Man musste nur eine weitere Röhre, deren Kathodenstrom durch das Gitter mit niederfrequenten Mikrophonschwingungen moduliert wurde, der rückgekoppelten Röhre verschalten. Die <Wirkungsweise fußt>, wie Meißner es ausdrückte, <auf der elektrischen Rückführung der Energie des Schwingungskreises nach dem Relais (Rückkopplung).>“^[7]

Bereits 1924 produzierte Western Electric eine „Niedervoltröhre mit zwei Ablenkplatten und einem Fluoreszenzschirm, der bereits direkt auf den gewölbten Glaskolben aufgebracht ist.“^[8] In den folgenden Jahren wurden Kathodenstrahl-Oszillographen u.a. auch von AEG vertrieben. Bereits 1906 legen Max Dieckmann und Gustav Glage, beide Mitarbeiter von Ferdinand Braun einen wichtigen Grundstein für die Entwicklung der Elektronenröhre hin zu einer Medientechnologie, die über die Verwendung als Oszillographen hinausgeht. Sie meldeten ein Patent mit dem gewichtigen Namen „Verfahren zur Übertragung von Schriftzeichen und Strichzeichnungen unter Benutzung der Kathodenstrahlröhre“. Mit diesem Prinzip gelang es ihnen, mehrere Zeichen auf einem 3 mal 3 Zentimeter großen Bildschirm darzustellen. Schon an diesem Punkt wird rückblickend deutlich, wohin sich die Braunsche Röhre entwickeln wird.

Mechanisches Fernsehen

Mit dem Problem nicht nur Zeichen und Töne aufnehmen, speichern und wiedergegeben zu können, sondern auch Bilder beschäftigten sich die Physiker bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts. „Einer der ersten Vorschläge stammt von dem schottischen Uhrmacher Alexander Bain (1810-1877) aus dem Jahre 1843. Danach sollten Textvorlagen in Zeilen zerlegt und deren Helligkeitswerte punktweise abgetastet werden.“^[9] Dieses Verfahren scheiterte aber daran, dass die Drucktypen mechanisch hätten abgetastet werden müssen. Eine elektrische Abtastung mithilfe von optischen Verfahren wurde erst möglich, nachdem die Eigenschaft des Stoffes Selen, einen unterschiedlich hohen elektrischen Widerstand bei unterschiedlichen Lichtbedingungen zu haben, entdeckt wurde. „Die physikalische

Entdeckung machten die englischen Ingenieure Smith und May im Jahr 1873, als sie zur Überwachung von Atlantikkabeln Selenstäbe benutzen wollten“^[10] und die Reaktionen des Selen völlig ungleichmäßig waren. Allerdings setzten sich die Versuche eine Bildübertragung mithilfe der Lichtempfindlichkeit von Selen nicht durch, da die Trägheit des Selens für eine hohe Bildauflösung zu langsam ist, sowie ein geeignetes Synchronisierungssystem fehlt. Von einem anderen Ausgangspunkt her hatte der deutsche Erfinder Paul Nipkow (1860-1940)

[...]

^[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Nobelpreistr%C3%A4ger_f%C3%BCr_Physik

^[2] Pichler, Franz in: „100 Jahre Braunsche Röhre Ein Jubiläum für einen Interfacebaustein“ PLUS LUCIS 2/97

^[3] Blumtritt, Oskar Nachrichtentechnik. Sende Empfänger Übertragung Vermittlung Seite 74

^[4] Vgl: http://www1.uni-bonn.de/pressDB/jsp/pressemitteilungsdetails.jsp?detailjahr=2008&detail=128

^[5] http://pluslucis.univie.ac.at/PlusLucis/972/braun.pdf

^[6] Blumtritt, Oskar Nachrichtentechnik. Sende Empfänger Übertragung Vermittlung Seite 74

^[7] Siegert, Bernhard Passage des Digitalen Seite 396

^[8] http://pluslucis.univie.ac.at/PlusLucis/972/braun.pdf Seite 2

^[9] Blumtritt, Oskar Nachrichtentechnik. Sende Empfänger Übertragung Vermittlung Seite 85

^[10] Riedel, Heide Fernsehen – Von der Vision zum Programm Seite 16