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Wpf-Ph 1999/2000
Martin Muzik
Braunsche Röhre
Ferdinand Braun
http://www.pit.physik.uni-tuebingen.de/braun.html
Der Bildschirm eines Fernsehgerätes, eines Rechners (PC), eines Oszillographen, eines
Radargerätes... alle diese Geräte gestatten es, sich bewegende Bilder sichtbar zu machen. Der
Bildschirm ist der vordere Teil einer Kathodenstrahlröhre. Heute kann man sich schwerlich
jemanden vorstellen, der noch nie eine derartige Röhre gesehen hätte.
Die Erfindung der Kathodenstrahlröhre und des Radios ist um dieselbe Zeit, nämlich gegen Ende
des 19. Jahrhunderts erfolgt.
Wissenschaftler stehen symbolhaft für diese Epoche, andere sind zu berühmten Söhnen ihrer
Wirkungsstätten avanciert und auf Straßenschildern verewigt. Andere dagegen sind die Opfer
historischer Wirren und geographischer Veränderungen geworden; sie sind so gut wie vergessen.
Ferdinand Braun, geboren in Fulda, Professor an der Universität in Straßburg, gehört zu dieser
letzten Gruppe. Vor hundert Jahren erfand er die Kathodenstrahlröhre, den Vorgänger der
modernen Fernsehröhre. Experten nennen sie deshalb heute noch Braunsche Röhre.
Ab 1899 beschäftigte er sich mit der drahtlosen Telegraphie und erfindet ein Verfahren, das
dieser Entwicklung neuen Aufschwung gibt. 1901 überbrückt Marconi den Atlantischen Ozean
mit einer telegraphischen Funkverbindung. 1906 arbeitet Ferdinand Braun am ersten
Kristallempfänger. Bereits zu Beginn seiner Laufbahn hatte er den Gleichrichtereffekt bei
Halbleitern entdeckt. Für seine Arbeiten wurde ihm 1909, zusammen mit Marconi, der
Nobelpreis in Physik verliehen.
Wer war Ferdinand Braun? Wie lebte ein Wissenschaftler im neunzehnten Jahrhundert? Was ist
die Geschichte der Kathodenstrahlröhre und seiner anderen Entdeckungen? Warum ist Ferdinand
Braun so wenig bekannt?
Damals im neunzehnten Jahrhundert
Ferdinand Braun wurde 1850 in Fulda geboren. In dieser Zeit war Deutschland noch kein
Nationalstaat. Die Gründung dieses Staates erfolgte erst 1871 durch Bismarck.
Ferdinand Braun stammt aus einer bescheidenen Familie und lebte in einer Zeit, in der es noch
nirgends große Anwendungen der Elektrizität gab. Als gutem Schüler stand ihm eine
Lehrerkarriere offen. Wäre er diesem Wunsch gefolgt, hätte er das große Abenteuer der
Elektrotechnik und der Telekommunikation, das er später erlebte und mitbestimmte, nur aus der
Ferne beobachten können.
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Wissenschaftler im neunzehnten Jahrhundert
Bis ins achtzehnte Jahrhundert hinein war ein Gelehrter auf vielen Gebieten bewandert, oft als
Professor, manchmal als Geistlicher. Er kannte sich aus in Theologie und Philosophie, er kannte
eine Reihe wissenschaftlicher Schriften aus dem Altertum.
Was er suchte war ein Verständnis der Natur und der Welt. Er beschäftigte sich mit Metaphysik
und Kosmologie, oft etwas mystisch verklärt. Dieser Gelehrtentyp ist weit entfernt vom Typ der
hochspezialisierten Forscher unserer Tage in ihren modernen naturwissenschaftlichen Instituten.
Der Naturwissenschaftler früherer Zeiten entwickelte eine Theorie und es bekümmerte ihn nicht
unbedingt, ob sie sich mit der Wirklichkeit der Natur vereinbaren ließ. Er war wohl wißbegierig,
aber deterministische Verknüpfungen blieben ihm fremd.
Elektrizität und Magnetismus
In der ersten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts wurden einige neue Entdeckungen gemacht,
für die es bis dahin kaum eine Erklärung gab: Elektrizität und Magnetismus. Der dänische
Naturforscher Oersted stellte fest, daß eine Kompaßnadel durch den elektrischen Strom abgelenkt
wird. Diese Erkenntnis eröffnete neue Entwicklungen in der Naturwissenschaft: Zwei bisher
getrennte Gebiete, Elektrizität und Magnetismus, hatten einen Zusammenhang! Kurz darauf hat
Ampère die Gesetze studiert, die beide Phänomene miteinander verbinden. Es wurde ein neuer
Begriff geschaffen: Elektromagnetismus. Die Neuentdeckungen erweckten in der Fachwelt
großes Interesse. M. Faraday (1791-1867) und J.C. Maxwell (1831-1879) haben das Wissen auf
diesem Gebiet erweitert. Für die junge Generation von Naturforschern an den Universitäten galt
das Hauptinteresse diesen neuen Gebieten Elektrizität und Magnetismus. Ferdinand Braun
machte hier keine Ausnahme und wählte den Elektromagnetismus als sein Arbeitsgebiet, auf dem
er so bedeutende Beiträge liefern sollte.
Eine neue Nation
Trotz der Napoleonischen Kriege war Frankreich in der ersten Hälfte des neunzehnten
Jahrhunderts immer noch eine große Nation. Großbritannien, auf der Seite der Sieger, nahm
großen Aufschwung und wurde zum politischen, kolonialen, technischen und finanziellen
Empire. Die Vereinigten Staaten von Amerika waren noch ein Entwicklungsland, aber ein
vielversprechendes. Die deutschen Länder wünschten ein vereinigtes Deutschland. Es wurde
dann auch nach dem Krieg mit Frankreich 1871 gegründet, aber zu Ungunsten Frankreichs: Das
Elsaß und Lothringen wurden Deutschland angegliedert. Im neuen Deutschland wurden die
Universitäten sehr gefördert und erweitert, auch die jungen Wissensgebiete hielten Einzug in den
Universitäten. Ferdinand Braun hat an dieser Entwicklung Deutschlands teilgehabt; sie erlaubte
ihm, 1880 Professor an der neuen Universität in Straßburg zu werden.
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Ferdinand Braun, Leben und Werk
Wir leben in einem Jahrhundert ständiger technischer Neuerungen, die unser tägliches Leben
verwandeln und es noch weiter tun werden. Wenige Menschen waren es, die diese Wandlung in
Gang gesetzt haben. Es waren Pioniere, jedoch weder Helden noch Propheten. Sie haben viele
Gegenstände unseres täglichen Lebens erfunden und auch unsere Weltanschauung verändert.
Ferdinand Braun war einer von ihnen.
- 1874: Er beobachtet, daß gewisse Kristalle wie Bleiglanz dem elektrischen Strom einen
größeren oder kleineren Widerstand entgegensetzen, je nachdem, wie die Richtung des Stromes
ist. Mit dieser Beobachtung hat er den Gleichrichtereffekt entdeckt.
Die Physik der Halbleiter, Basis der modernen Elektronik, geht auf Ferdinand Braun zurück.
- 1897: Vor hundert Jahren erfindet er die Kathodenstrahlröhre, den Grundbestandteil unserer
Fernsehempfänger und vieler anderer moderner Geräte.
- 1898 wendet er sich der drahtlosen Telegraphie zu. Er verbessert den Aufbau von Sender und
Empfänger durch Einbau eines abgestimmten Schwingkreises und ermöglicht damit die
Funkverbindung über den Atlantik.
- 1906 arbeitet er am ersten Kristallempfänger, in den er seine Erfahrungen aus dem Beginn
seiner Laufbahn einbringt. Dieses Gerät fand über lange Jahre hinweg einen großen Anklang bei
Radioamateuren.
Ferdinand Braun hat daneben auch auf anderen Forschungsgebieten gearbeitet, und man sollte
ihn deshalb nicht nur nach seinen größten Erfolgen beurteilen. Diese Erfolge waren begründet
durch tiefe Kenntnisse in der Physik, und zwar sowohl in der Experimental- als auch in der
Theoretischen Physik.
Er lebte in der Gründerzeit und hat sich aktiv an der Entwicklung verschiedener Universitäten
beteiligt. Er war zweimal als Professor in Straßburg, von 1880 bis 1882 als Extraordinarius und
zwischen 1895 und 1918 als Ordinarius. In der Zwischenzeit war er Professor in Karlsruhe und in
Tübingen.
J. Zenneck, sein Assistent und späterer Direktor des Deutschen Museums in München, hat über
ihn in seiner kurzen Biographie berichtet: " Persönlich war Braun bei seinen Kollegen, den
Assistenten und Studenten sehr beliebt. Trotz alles Schweren, das auch ihm nicht erspart
geblieben ist, hat er seinen Humor stets behalten. Seine witzigen Bemerkungen, sowohl in der
Vorlesung als in der Unterhaltung, wirkten um so mehr, als man ihm seine eigene Freude darüber
anmerkte. Wer ihm nahe treten durfte wird sich an ihn nicht nur mir Verehrung, sondern auch mit
Vergnügen erinnern." Seine beiden Assistenten aus Rußland, Mandelstam und Papalexii,
schrieben: "Als Persönlichkeit wirkte Braun durch seine Natürlichkeit und Freundlichkeit und
durch sein außerordentliches Wohlwollen ungemein anziehend. Brauns Forschungsleistungen
sichern ihm in der Wissenschaft einen hohen Ehrenplatz und alle, die das Glück hatten, mit ihm
in nähere Beziehung zu treten, werden das Andenken des großen, welterfahrenen, klugen und
doch so gütigen Mannes stets mit Liebe und Ehrfurcht bewahren."
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Das Schicksal dieses Mannes ist verbunden mit dem eines Landes, dem Elsaß, das einmal zu
Frankreich und einmal zu Deutschland gehörte. Braun ist teilweise in Vergessenheit geraten im
Zusammenhang mit den Ereignissen, die die europäischen Nationen betrafen.
Eine glänzende Laufbahn
Ferdinand Braun wurde am 6. Juni 1850 im damals Kurfürstlich-Hessischen Fulda als Sohn eines
Gerichtsaktuars geboren. Er begann seine Schulzeit in Fulda, wo er das Gymnasium besuchte.
Nach seinem Abitur führte ihn der Weg zum Studium an die nahe gelegene Universität Marburg.
Dies war die erste seiner Reisen zu vielen Universitäten, zuerst als Student bis zum
ordentlichen Professor in Straßburg. Mit 18 Jahren ging er nach Berlin, wo er Physik studierte
und promovierte.
Er war Assistent in Berlin und Würzburg und später (1874-77) Gymnasiallehrer in Leipzig, wo er
mit den bescheidenen Laboratoriumsmitteln des Gymnasiums arbeitete. Hier interessierte er sich
für die elektrische Leitfähigkeit verschiedener Körper, u.a. der Bleisulfide (Bleiglanz). Er
entdeckte die Gleichrichtereigenschaften dieser Kristalle. Als außerordentlicher Professor
unterrichtete er dann in Marburg (1877-79) und Straßburg (1880-82). Hier arbeitete er an einer
Neuformulierung der Helmholtz-Thomson Theorie. Seine Neigung für die experimentelle Physik
führte ihn 1883 nach Karlsruhe, wo er die Lehre auf den Gebieten Elektrizität und Elektrotechnik
modernisierte. Sein Nachfolger wurde Heinrich Hertz. Es folgen zehn Jahre (1885-95) in
Tübingen. Hier entstanden eine Reihe wichtiger Arbeiten über die Löslichkeit in Flüssigkeiten
und ihre Abhängigkeit vom Druck. Hier gründete er das neue Physikalische Institut. Als
Experimentalphysiker entwickelte er Meßinstrumente wie zum Beispiel das Pyrometer zur
Messung hoher Temperaturen und das elektrostatische Elektrometer zur Messung hoher
Spannungen:
Braunsches Elektrometer. Diese Apparate wurden über viele Jahre hinweg durch Vermittlung
seines Bruders in den Handel gebracht (Firma Hartmann und Braun).
Schließlich kam er zum zweiten Mal nach Straßburg, wo er 20 Jahre weilte.
Ferdinand Braun in Straßburg
Sein Leben änderte sich als er 1895 nach Straßburg kam, wo er die wichtigsten seiner Arbeiten
ausführte. Der Lehrstuhl für Physik an der Universität Straßburg war einer der angesehensten in
der damaligen Zeit.
Er war 45 Jahre alt, andere hatten in diesem Alter ihre Laufbahn schon vollendet, er dagegen
steht am Beginn seines Ruhms.
Zwei Jahre nach seiner Ankunft baute er seine Kathodenstrahlröhre, die heute nach ihm benannte
Braunsche Röhre.
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Sehen, was man nicht sehen kann
1895 erhält das Elektrizitätswerk Straßburg einen der ersten Wechselstromgeneratoren Europas.
Im selben Jahr hat Röntgen seine "X"-Strahlen entdeckt. Welchen Zusammenhang gibt es
zwischen Ferdinand Braun und Wilhelm Röntgen? Die Entdeckung Röntgens eilte wie eine
Sturmwelle durch die Welt der Wissenschaft, der Medizin und Technik. Mit einem Gerät - von
der Wissenschaft entwickelt - konnte man jetzt ins Innere lebender Körper sehen. Bis jetzt
unerreichbar für unser Auge, wird das Unsichtbare sichtbar. Auch Ferdinand Braun ist davon
begeistert, er will aber auf einem anderen Gebiet arbeiten. Er will den Wechselstrom der Stadt
Straßburg mit seiner Kathodenstrahlröhre sichtbar machen. Er hatte sie bei der Firma Franz
Muller Geissler Nachfolger in Köln bestellt. Beim ersten Versuch mit der neuen Anlage, es war
der 15. Februar 1897, sagte er zu seinen Assistenten Zenneck und Kantor: "Nur funktionieren
muß sie! Meine Herren, geben Sie die Spule hinzu. Meine Herren, nehmen Sie Platz, Sie haben
das Vergnügen, den Wechselstrom der Straßburger Zentrale in Person zu sehen! Auf der mit
seiner Kathodenstrahlröhre verbundenen Drehspiegelanordnung erschien eine Sinus-Kurve. Der
Wechselstrom des neu errichteten Elektrizitätswerks von Straßburg wird auf dem Bildschirm
sichtbar.
Man muss noch einige Voraussetzungen erwähnen, die zu diesem Erfolg führten. Evakuierte
Glasröhren mit eingeschmolzenen Hochspannungselektroden waren nicht ganz neu. Viele
Physiker benutzten solche Röhren, die nach Crookes oder Hittorf benannt waren. Röntgen hat
seine weitreichende neue Entdeckung mit solchen Röhren gemacht und W. Thomson entdeckte
mit ihrer Hilfe das Elektron. Braun dagegen fand eine neue bahnbrechende Anwendung.
In den folgenden Jahren brachten Braun und Zenneck zusätzliche Einrichtungen an,
hauptsächlich die horizontale Ablenkung und einige weitere Verbesserungen. Die Röhre konnte
jetzt die Welt erobern.
Rogowski aus Aachen brachte die Entwicklung voran, 1905 führte er die geheizte Kathode ein
und die elektrostatische Ablenkung.
Das Fernsehen kam erst später (Zworykin 1923; Baird 1926), daneben die modernen
Oszillographen. Braun aber, der keine Patente für die Übertragung von Schriftzeichen und
Strichzeichnungen - ein Vorläufer des Fernsehens - aufnehmen wollte, bezeichnete diese
Anwendung als "unseriös" (1906).
Brauns Assistent Zenneck hat 1950 folgendes geschrieben:
"Der Kathodenstrahloszillograph ist heute ein so selbstverständliches physikalisches Gerät
geworden, daß es beinahe eine Beleidigung des Lesers wäre, wollte man darüber schreiben...
Noch heute, nach mehr als 50 Jahren, ist die Form der Röhre wesentlich dieselbe, wie sie von
Braun angegeben wurde, wenn man auch jetzt von den Hilfsmitteln, die inzwischen entwickelt
worden sind, Hochvakuum, Glühkathode, Konzentration des Elektronenstrahlbündels (schon
bevor es eine Elektronenoptik gab) Gebrauch gemacht hat. Im Gegensatz zu mechanischen
Oszillographen können zwei verschiedene Größen von einander unmittelbar dargestellt werden,
ohne einen Umweg über die Zeitabhängigkeit beider.
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Die Röhre hat ein so weites Anwendungsgebiet gefunden, wie man es zu der Zeit ihrer Erfindung
nicht ahnen konnte. Sie ist heute das Universalwerkzeug geworden, wenn es sich um den
zeitlichen Verlauf irgendeiner Größe handelt. Sie ist die Grundlage jeder Fernseh-Anordnung. Es
gibt wohl kaum eine andere physikalische Methode, der man ein so großes Anwendungsgebiet
wie der Braunschen Röhre nachrühmen könnte."
Als Zenneck diese Zeilen schrieb, wußte er noch nichts von Computern!
Die drahtlose Telegraphie
In den Jahren 1897, 1899 wurde F. Braun durch Investoren veranlaßt, Experimente über
Telegraphie im Wasser zu unternehmen. Diese wurden mit Erfolg in Straßburger Kanälen
durchgeführt, es wurde eine Strecke von 1800 m überbrückt. Ähnliche Arbeiten wurden an
anderen Orten versucht, jedoch ohne Erfolg. Die Ursache für den Mißerfolg war, daß sich im
Wasser ein Gleichstrom oder ein Niederfrequenzwechselstrom viel schlechter ausbreitet als
Hochfrequenzstrom. Ferdinand Braun benutzte für seine Experimente bereits Funkengeneratoren
unter Verwendung von Kondensatoren, Spulen und gekoppelten Kreisen. Ein Patent wurde
aufgenommen. Mit dieser Arbeit wurde der drahtlosen Telegraphie zum Durchbruch verholfen.
Im Gegensatz zu Marconi hatte sich Ferdinand Braun bis dahin kaum mit diesem Gebiet
beschäftigt. Er war bereits 47 Jahre alt, als er anfing sich dafür zu interessieren. Die berühmten
Arbeiten von Hertz in Karlsruhe waren schon überall bekannt. Branly (1890), Lodge (1894),
Popov (1895) und Marconi hatten damals die ersten Sender und Empfänger für die drahtlose
Übertragung ausgearbeitet. Marconi war am weitesten fortgeschritten, er konnte bereits eine
Nachricht über den 15 km breiten Bristolkanal (zwischen Wales und Cornwall) senden. Slaby in
Deutschland erreichte eine Überbrückung von 21 km mit einer 300 m hohen Antenne.
Die Entwicklung stockte, größere Entfernungen konnten kaum überschritten werden. Alle hatten
Schwierigkeiten. Ferdinand Braun führte seine Erfahrungen von der Wassertelegraphie in seine
neue Sendeanlage ein. Er benutzte zwei gekoppelte Schwingkreise: der eine enthielt die
Funkenstrecke, der andere die Abstrahlungsantenne. Diese Idee führte zu einem großen
Erfolg. Die Wirksamkeit der Ausstrahlung nimmt wegen der Resonanzeffekte zwischen den
gekoppelten Kreisen stark zu.
Dank seiner Kenntnisse im Umgang mit Funken und gekoppelten Kreisen hat Ferdinand Braun
am 20. September 1898 eine Funkverbindung aufgebaut, zuerst zwischen dem Physikalischen
Institut in Straßburg und der näheren Umgebung, dann mit dem 30 km entfernt gelegenen
Vogesenort Mutzig. Schließlich wurde an der Nordsee zwischen Cuxhaven und Helgoland über
62 km hinweg eine klare Verbindung hergestellt. Von jetzt an beschäftigte sich Ferdinand Braun
fast ausschließlich mit der drahtlosen Telegraphie.
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Die 1890 zum ersten Mal eingesetzte Rahmenantenne ermöglicht eine gerichtete Ausstrahlung
und einen Richtempfang. Damit werden atmosphärische Störungen unterdrückt und
unerwünschter Mitempfang ausgeschaltet. Marconi übertrug diese neue Braunsche Schaltung auf
seine Geräte. 1901 verbindet er Europa mit Amerika, die drahtlose Telegraphie kann nun die
Welt erobern. 1909 der Triumph: die schwedische Akademie verleiht Ferdinand Braun den
Nobelpreis in Physik für seine Arbeiten in Straßburg.
Auch in den folgenden Jahren betätigt er sich weiter als Hochschullehrer und Erfinder. 1899
erinnert er sich an die Zeit, in der er als Gymnasiallehrer in Leipzig weilte. Es war im Jahre 1874,
als er feststellte, daß Schwefelsulfidkristalle den Strom in verschiedenen Richtungen
unterschiedlich leiten. Dies ist die Eigenschaft eines Gleichrichters, Wechselstrom wird nur in
einer Richtung durchgelassen. Ferdinand Braun hatte somit den Gleichrichter entdeckt, den
Halbleiter, die Basis der modernen Elektronik. Mit seinem Kollegen E. Cohn in Straßburg
ermittelt er die Hochfrequenzeigenschaften der Halbleiter, er fand sie für seine Zwecke sehr
geeignet. Ab 1906 hat Ferdinand Braun den ursprünglich benutzten Fritter durch solche Kristalle
ersetzt. Der Kristallempfänger war geboren. Es war ein großer Erfolg.
1899 finden an der Straßburger Universität die weltweit ersten Vorlesungen über
Hochfrequenzphysik statt.
Die Russen N. Papalexii und N. Mandelstam werden auf Professuren berufen, sie werden enge
Mitarbeiter Brauns. Viel später haben sie dann in Rußland das Radiowesen eingeführt und weiter
entwickelt. Sie wurden für ihre Verdienste beim ersten Sputnikraumflug erwähnt. So erscheint
Ferdinand Braun als ein Vorfahre der Weltraumfahrt.
Braun arbeitet weiter in der Grundlagenforschung, so konnte er experimentell nachweisen, daß
Licht und Hertzsche Wellen den gleichen optischen Gesetzen gehorchen.
Braun als Industrieunternehmer
Braun hat eine Reihe von Meßinstrumenten entwickelt und verbessert. Sein Bruder leitete die
Firma Hartmann und Braun, die Apparate von F. Braun kommerziell vermarktete. Für die
Telegraphie im Wasser arbeitete er mit dem Investor Stollwerk zusammen. Diese
Zusammenarbeit führte im Juli 1900 zur Gründung der neuen Braun-Siemens-Halske
Gesellschaft, die später mit anderen Unternehmen verschmolz und heute noch unter dem
bekannten Namen Telefunken produziert.
Die Braunsche Röhre
Der Braunsche Sender. Dieser Schwingkreis erinnert an eine Bastelei. Die Kondensatoren
bestehen aus Leydener Flaschen, die Spulen aus Kupferdraht, die Funkenstrecke befindet sich
darüber.
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Wer hat die drahtlose Telegraphie erfunden?
Theorie und Praxis
James Clark Maxwell (1831-1879) sei als erster genannt. Seine heute berühmten Gleichungen
hat er 1873 geschrieben. Damit hat er alle elektrischen und magnetischen Erscheinungen in
wenigen Sätzen beschrieben. Die Lektüre seines Werkes ist schwierig, die Formulierung ist sehr
mathematisiert, sie scheint wenig zu tun zu haben mit der industriellen Entwicklung der
Elektrizität. In diesen Formeln kann man aber auch den Zusammenhang zwischen Licht und
Elektrizität finden. Heaviside hat wenige Jahre später die Theorie neu formuliert. Einstein
schrieb: "Mit Maxwell eröffnete sich eine neue Ära der Wissenschaft".
Heinrich Hertz (1857-1894), Professor in Karlsruhe, zuvor sehr gepriesener Assistent von
Helmholtz in Berlin, hatte die Arbeiten von Maxwell studiert, er galt als ein vielversprechender
Naturforscher. In Karlsruhe hat er die Experimente unternommen, in denen er - entsprechend der
Maxwell-Theorie - die elektromagnetischen Wellen experimentell nachweisen und ihren
Zusammenhang mit dem sichtbaren Licht demonstrieren konnte. Diese Hertzschen Wellen
wurden durch eine Funkenstrecke produziert, also mit einem Verfahren, welches in den
folgenden Jahren für die drahtlose Telegraphie benutzt wurde. Maxwell und Hertz können so als
die geistigen Väter der neuen Nachrichtentechnik genannt werden. Diese Geschichte ist ein
bemerkenswertes Beispiel dafür, daß Physik, und speziell das Zusammenwirken von Theorie und
Experiment, der Anfangspunkt für eine neue technische Entwicklung ist.
Edouard Branly war Physikprofessor am Institute Catholique in Paris. Hier entwickelte er den
"Kohèrer", auch "Fritter" genannt. Dieser bestand aus einem Glasrohr mit eingepressten
Metallspänen. Er zeigte, daß der Fritter normalerweise einen großen elektrischen Widerstand
besitzt, der aber gleich Null wird, wenn in der Nähe ein Funken ausgelöst wird. Er selbst hat
zunächst aber keinen Zusammenhang mit den elektromagnetischen Wellen gesehen, die
Anordnung wurde jedoch sofort von vielen für die drahtlose Telegraphie benutzt.
Werner Siemens (1816-1892) erfand den elektrischen Telegraphen, er erwarb Patente, gründete
industrielle Unternehmen und hat die deutsche Technik auf der ganzen Welt verbreitet,
insbesondere die Starkstromelektrotechnik wurde von ihm gefördert. Er war ein genialer
Erfinder.
Dem Engländer Oliver Lodge gelang die allererste Vorführung der drahtlosen Telegraphie
(Reichweite 150 m). Dabei wurde eine erste praktische Anwendung des "Fritters" benutzt. Etwas
später verwendete er die Antenne des Russen Alexander Popov. Anfangs dienten Antenne und
"Fritter" zur Beobachtung und Lokalisierung von Gewittern auf See. Auch später machte sich
Popov noch einen großen Namen auf diesem Gebiet.
Heaviside und Pupin sind bekannt für ihre theoretischen Arbeiten auf dem Gebiet der
Telekommunikation. William Thomson (Lord Kelvin) hat 1875 die Gleichungen entwickelt, die
als Basis der elektrischen Übertragungen gelten. Sehr bemerkenswert ist Nikola Tesla, Ingenieur
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aus Österreich, der als Serbe in Kroatien geboren wurde und später nach Amerika auswanderte.
Er hat eine große Zahl von elektrischen Geräten entwickelt, den Wechselstrom eingeführt, den
Drehstrommotor erfunden und an dem großen Abenteuer der Übertragung elektromagnetischer
Wellen teilgehabt. Guglielmo Marconi gilt als der "Erfinder" der drahtlosen Telegraphie. Dafür
wurde ihm, zusammen mit Ferdinand Braun, 1909 der Nobelpreis für Physik überreicht. Seit
1885 widmete sich Marconi dem Gebiet der Telegraphie mit aller Kraft, er entwickelte mit viel
Geschick Sender und Empfänger. Die erste telegraphische Überbrückung des Ärmelkanals (46
km) am 25. März 1895 machte ihn berühmt. Dabei benutzte er viele Ergebnisse anderer Leute,
die auf diesem Gebiet arbeiteten, und bewies im Unterschied zu diesen anderen "Erfindern" viel
Geschäftssinn.
Brauns Assistent und enger Mitarbeiter Zenneck hat den Beitrag Ferdinand Brauns zur drahtlosen
Telegraphie im folgenden Text beschrieben:
Im Jahre 1898, sehr bald nachdem die Versuche von Marconi bekannt und bewundert worden
waren, hat Braun sich mit Fragen der drahtlosen Telegraphie beschäftigt und einen Sender
entwickelt, der etwas komplizierter als der Marconi'sche, aber auch sehr viel wirksamer war. Es
war der sog. gekoppelte Sender: Primärkreis war ein Kondensatorkreis mit Funkenstrecke,
Sekundärkreis die Antenne, während Marconi einfach die geerdete Antenne mit einer darin
enthaltenen Funkenstrecke verwendet hatte.
Der Gedanke Brauns war dabei im wesentlichen folgender: Bei dem Marconi-Sender war die
Energie, die man der Antenne zuführen konnte, gegeben durch die verhältnismäßig geringe
Kapazität der Antenne und die Spannung, zu der man sie aufladen konnte. Die Erhöhung von
beiden unterlag praktisch erheblichen Beschränkungen. Die Verhältnisse wurden viel günstiger,
wenn man die Antenne nur für die Ausstrahlung der Wellen benützte, für die Erzeugung der
Schwingungen aber ein besonderes System einführte, eben den Kondensatorkreis, und die in ihm
erzeugten Schwingungen durch Induktion auf die Antenne übertrug.
Die Energie der Schwingungen läßt sich auf diese Weise ohne Schwierigkeit viel höher steigern,
als das bei einer einfachen Antenne der Fall gewesen war. Neben dieser Überlegung ging eine
zweite her, die in dem Braunschen Patent DRP 111 578 vom 14. Oktober 1898 in den
Vordergrund gerückt ist. Was in der Marconi-Antenne vorging, war damals nicht ganz klar. Man
vermutete vielfach, daß die Wellenlänge sehr kurz und durch die Dimensionen an der
Funkenstrecke bestimmt sei - Marconi hatte statt der gewöhnlichen Funkenstrecke zum Teil auch
richtige Righi-Sender verwendet - und daß die Antenne in erster Linie dazu diene, um die an der
Funkenstrecke erzeugten Wellen nach oben zu leiten und damit ihre Ausstrahlung in den Raum
zu unterstützen. Im Gegensatz dazu wollte Braun bewußt mit viel größerer Wellenlänge arbeiten,
wie sie nach den Untersuchungen von Feddersen durch Kondensatorkreise sicher geliefert
wurden.
Die Versuche, die ich 1899-1900 auf und an der Nordsee im Auftrage von Braun machte, um die
Leistung des Braunschen Senders mit derjenigen eines einfachen Marconi-Senders zu
vergleichen, ergab einwandfrei die Überlegenheit des Braunschen Senders. Braun erhielt
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zusammen mit Marconi den Nobel-Preis.
Braun hat sich viel mit der Aufgabe beschäftigt, die gedämpften Schwingungen, die sein Sender
liefern mußte, durch ungedämpfte zu ersetzen. Interessant ist dabei, daß er zur Lösung dieser
Aufgabe eine Kathodenstrahlröhre konstruierte, um mit dieser in einer ganz klaren
Rückkopplungsschaltung das Ziel zu erreichen. Erfolge hat er damit nicht gehabt und deshalb
auch nichts darüber veröffentlicht, so daß diese Versuche, über die an anderer Stelle berichtet
werden soll, fast unbekannt blieben.
Auch auf der Empfänger-Seite versuchte Braun saubere Verhältnisse zu schaffen. Beim Koherer,
diesem Konglomerat von Locker-Kontakten, konnte man davon nicht sprechen. Man ärgerte sich
über seine Launenhaftigkeit gelegentlich so, daß man beinahe vergaß, daß der Koherer durch
seine Empfindlichkeit die drahtlose Telegraphie erst ermöglicht hatte. Braun suchte ihn durch ein
einfaches physikalisches Gerät zu ersetzen. Er hatte schon 1874 bei Stoffen, z.B. Bleiglanz,
Gleichrichtung, oder wie man damals sagte, unipolare Leitfähigkeit, nachgewiesen. Seine
Überlegung war nun die, daß ein solcher Stoff einen Detektor abgeben mußte, wenn seine
Gleichrichtwirkung auch noch bei hohen Frequenzen bestehen bleibt. Bis diese KristallDetektoren, die bekanntlich bis ungefähr 1914 die normal gebrauchten Detektoren waren und in
neuester Zeit bei den Ultra-Kurzwellen wieder auf dem Plan erschienen sind, technisch
ausgebildet wurden, waren Braun andere Physiker zuvorgekommen.
Daß Braun auch mit Anordnungen für die gerichtete Aussendung und den gerichteten Empfang
Versuche gemacht hat, soll nur erwähnt werden. Mit einer Rahmenantenne hat er z.B. im
Physikalischen Institut in Straßburg die Feldstärke des Senders auf dem Eiffelturm in absolutem
Maß gemessen.
Der vergessene Urvater
In den letzten Jahren seines Lebens war Ferdinand Braun als Forscher und Erfinder hoch
anerkannt. 1914 brach der schreckliche Krieg aus. Auch Ferdinand Braun wurde indirekt zum
Opfer dieses Krieges: die deutsche Regierung sandte ihn nach Amerika. Die Engländer hatten
einen Patentkrieg gegen die deutsche Funkstation in den noch neutralen Vereinigten Staaten
angestrengt und Braun sollte als Experte an diesem Prozeß teilnehmen. Dieser fand jedoch nicht
mehr statt, und auch Braun konnte nicht mehr in Sicherheit nach Deutschland zurückkehren.
Zuerst mit viel Würde empfangen (zum Beispiel beim Jahrestreffen des Institute of Radio
Engineers in New York am 24. April 1915) bekam er, nach dem Kriegseintritt Amerikas, den
Sonderstatus eines "feindlichen Ausländers", glücklicherweise durfte er sich aber trotzdem
ziemlich frei bewegen.
Am 20. April 1918 starb er in Brooklyn infolge einer langjährigen Krankheit. Sein Tod wurde
kaum wahrgenommen.
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Straßburg kam zu Frankreich zurück, die neue französische Universität nahm den Platz der
ehemaligen Kaiser Wilhelm Universität ein. In Frankreich blieb Braun danach so gut wie
unbekannt. Und Deutschland war mit anderen Sorgen beschäftigt als mit Erinnerungen an
vergangene Forscher.
Erst 1965 erschien die umfangreiche Biographie von Friedrich Kurylo über Ferdinand Braun. Im
Vorwort der englischen Ausgabe kann man lesen:
"Ferdinand Braun war einer der großen Wissenschaftler unserer Zeit. Er entdeckte den
Gleichrichtereffekt, die Basis der Halbleiterelektronik; er lieferte erhebliche Beiträge zur
Thermodynamik und entwickelte magnetische Bauelemente; er erfand die Kathodenstrahlröhre
und brachte die Radiotelegraphie so weit vorwärts, daß ihm zusammen mit Marconi 1909 der
Nobelpreis in Physik überreicht wurde. Er war als Privatmann sehr bescheiden und seit seinem
Tod in einem feindlich gesinnten Ausland ist er auf unverständliche Weise in Vergessenheit
geraten sowohl bei Seinesgleichen als auch bei den Geschichtsschreibern...
...Am Tiefpunkt seiner Berühmtheit angelangt - krank, gealtert, verdächtigt, und vergessen - starb
dieser edle Lehrer, Erfinder und Wohltäter der Menschheit im April 1918" (Bernd Dibner).
Ferdinand Braun war sehr begabt. Er war seit Beginn ein Physiker der neuen Zeit. Seine zum Teil
hervorragenden Lehrer gehörten zwar noch der alten Zeit an, er selbst aber hatte das größte
Interesse für die neuen theoretischen Aspekte der Physik, z.B. machte er sich die Mathematik der
Schwingungen zu eigen. Er war aber auch ein hervorragender Experimentator, der selbst seine
Apparate erdachte und baute. Man darf hier wohl sagen, daß er ein genialer Bastler war, der seine
Instrumente selbst fertigte um Theorien und Hypothesen der Physik experimentell nachzuweisen.
Dazu sollte man seinen Nobelpreisvortrag lesen, dort wird es klar gesagt. Das Zusammentreffen
dieser Eigenschaften, hervorragender Physiker in Theorie und Praxis, zusammen mit seinen
Industriekontakten, machte ihn besonders dafür geeignet, sich an der Entwicklung der drahtlosen
Telegraphie zu beteiligen. Seine Mitbewerber auf diesem Gebiet waren dem oft nicht gewachsen.
Zum Teil wurde er aber, wie andere auch, ein Opfer der kolossalen Entwicklung dieser
Erfindung. In allen Ländern arbeitete man eifrig am Fortschritt der Radiotechnik, umso mehr, als
kolossale politische, militärische und wirtschaftliche Interessen damit verbunden waren. Im Jahre
1906 erfand Lee de Forest die Triode. Damit ergaben sich ganz neue Möglichkeiten im Bau von
Sendern und Empfängern. Durch die Funkentechnik konnten nur gedämpfte elektromagnetische
Wellen erzeugt werden (mit dieser Problematik hat sich Braun viel beschäftigt), dagegen können
mit der neuen Technik ungedämpfte Schwingungen erzeugt werden. Nun konnte man "funken
ohne Funken", diesen Wunsch hat Braun bereits in seiner Nobelansprache ausgedrückt. 1920
wurden die ersten Rundfunksender installiert. 1927 entwickelt Zworykin die Grundlagen des
Fernsehens und die Braunsche Röhre kam damit wieder zu Ansehen. Die Halbleiterdioden fanden
bereits in den vierziger Jahren in der Elektronik eine intensive Anwendung, und dann kam 1948
der Transistor zur Welt. W. Shockley, J. Bardeen und W.H. Brattain wurden 1956 dafür mit dem
Nobelpreis geehrt. Man erinnerte sich bei dieser Gelegenheit an Braun, der als ersten die
Halbleitereigenschaften dieser Stoffe entdeckt hatte.
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Ferdinand Braun war ein Gelehrter in einer für uns fernen Zeit. Er hat als erster Techniken
erfunden, die dann von vielen anderen ausgebaut wurden, Techniken, die nicht nur einen
Fortschritt bedeuten, sondern eine gewaltige Umwälzung unserer Gesellschaft bewirkten. Er
konnte diese Veränderungen natürlich nicht ahnen, wir aber können uns heute die Gesellschaft
ohne diese Errungenschaften kaum vorstellen.
Ferdinand Braun war ein Deutscher im von Deutschland annektierten Elsaß. Es war lange Zeit
unmöglich, in Straßburg über diesen großen Mann zu reden. Heute leben wir in der Zeit der
Deutsch-Französischen Verständigung. Wir wünschen, daß Ferdinand Braun, ohne daß er es
ahnen konnte, hier ein kleines Glied dieser Verständigung sein möge. In diesem Sinne haben wir
gehandelt, als wir diese Erinnerungs-Ausstellung gestaltet haben.
Zeittafel:
1850 Karl Ferdinand Braun geboren in Fulda
1866 Erste Veröffentlichung - Chemie
1868 - 1870 Studium in Marburg und Berlin
1870 - 1874 Assistent in Berlin und Würzburg
1872 Habilitation bei Helmholtz
1873 - 1876 Gymnasiallehrer in Leipzig
1877 Veröffentlichung über den Gleichrichtereffekt
1877 - 1879 Professor in Marburg
1880 - 1882 Professor in Straßburg
1883 - 1885 Professor in Karlsruhe, Vorgänger von H. Hertz
1885 - 1895 Professor in Tübingen
1895 - 1918 Ferdinand Braun in Straßburg, Nachfolger von Kohlrausch
1897 Kathodenstrahlröhre
1897 Telegraphie im Wasser
1899 Zenneck, Brauns Assistent, führt die horizontale Ablenkung ein
1899 Drahtlose Telegraphie in Cuxhaven
1899 Braun führt den Kristalldetektor ein
1905 Rektor an der Universität Straßburg
1909 Nobelpreis in Physik zusammen mit G. Marconi
1918 Verstorben in Brooklyn (New York)
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Funktionsweise mit Grafik
http://www.e-online.de/sites/mes/0307084.htm
1.Kathode
An der Kathode liegt eine Spannung von -200 ... -800 Volt. Sie liefert die Elektronen.
Durch ein Heizelement wird der Elektronenaustritt erhöht.
2.Wehneltzylinder
Mittels dieses Zylinders läßt sich die Intensität, sprich Helligkeit des Elektronenstrahls
beeinflussen.
3.Elektronen-Optik
Ablenkung der Elektronen im Elektrischen Feld. Einstellung für die Schärfe des zu darstellenden
Elektronenstrahls.
4.Anode
Die Anode liegt an einer Spannung von +100 ... +200 Volt und zieht die Elektronen an.
5.Nachbeschleunigungsanode(bis 1,5 kV)
6.Leuchtschicht
7.Brennpunkt
X.X-Platten für die Zeitmessung(Horizontale Ablenkung)
Die Elektronen werden nach links oder rechts abgelenkt.
Y.Y-Platten für die Spannungsmessung(Vertikale Ablenkung)
Die Elektronen werden nach oben oder unten abgelenkt.
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Applet zur Braunschen Röhre
(http://www.bogi.de/braun/braun.htm)
Allgemeine Funktionsweise
http://www.suicidal.de/doc/lexikon/braunsche_roehre.htm
Bildschirme, die nach dem Prinzip eines Fernsehers mit einer Elektronenstrahlröhre auch
Braunsche Röhre genannt, arbeiten, werden zur Zeit noch am häufigsten verwendet. Sie bieten
das beste Bild, sind aber auf Grund ihrer relativ großen Abmessungen und ihres hohen Gewichts
nur stationär einsetzbar.
Die Kathodenstrahlröhre besteht aus einer evakuierten Glasröhre, in der sich im hinteren Bereich
die Elektronenkanone mit dem Strahlenerzeugungssystem und im mittleren Bereich das
Strahlenablenkungssystem befinden. Nach vorne schließt sie mit dem Leuchtschirm ab, der innen
mit einer fluoreszierenden Phosphorschicht belegt ist. Unmittelbar vor dem Leuchtschirm
befindet sich die Lochmaske.
Das Strahlenerzeugungssystem besteht bei Farbbildschirmen aus drei Elektronenkanonen, von
denen jede für jeweils eine der drei Grundfarben steht und die aus den Kathoden austretenden
Elektronen zu einem äußerst feinen Strahl bündelt, beschleunigt und durch das sich in der Röhre
befindliche Vakuum auf den Leuchtschirm wirft.
Die den Leuchtschirm innen bedeckende Schicht besteht aus drei unterschiedlichen
Phosphorarten, die ein Muster von in Dreiecken angeordneten Punktetripeln bilden, von denen
jeder eine der Grundfarben Rot, Blau oder Grün repräsentiert.
Jedem Punktetripel ist in der sich vor dem Leuchtschirm befindlichen Lochmaske genau eine
Öffnung zugeordnet, durch die gleichzeitig die drei von der Elektronenkanone abgeschossenen
Elektronenstrahlbündel unter leicht unterschiedlichen Winkeln hindurch gehen und jeweils einen
der drei ihnen zugeordneten Phosphorpunkte treffen.
Bei übereinstimmender Intensität aller drei Elektronenstrahlbündel entstehen je nach ihrer Stärke
die Unfarben Schwarz, Grau oder Weiß, bei unterschiedlicher Intensität alle anderen Farben.
Drei zusammengehörige Phosphorpunkte, also ein Punktetripel wird als Pixel bezeichnet, die
Anzahl dieser Pixel und damit die Anzahl der Löcher in der Lochmaske und Ihr Abstand
zueinander ist maßgeblich für die Qualität eines Bildschirms. 1024 x 768 bzw. 800 x 600 Pixel
und ein Lochabstand von 0,24 mm sind heute übliche Werte.
Der Aufbau des Bildschirms erfolgt zeilenweise, wobei das Bild bei modernen Bildschirmen mit
100Hz, das heißt 100 mal pro Sekunde komplett neu aufgebaut wird. Die für den zeilenweisen
Aufbau benötigte Strahlenablenkung erfolgt elektrostatisch oder elektromagnetisch, das dafür im
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Inneren der Röhre benötigte Ablenkungssystem besteht aus zwei Paar Platten bzw. Spulen, die
zur Y-Ablenkung waagerecht und zur X-Ablenkung senkrecht angeordnet sind. Der negative
Elektronenstrahl wird dabei immer zur positiven Seite hin abgelenkt.
Die elektrostatische Ablenkung benötigt wesentlich weniger Energie als die elektromagnetische,
allerdings sind mit ihr nur relativ kleine Ablenkungswinkel möglich, was bei großen
Bildschirmdiagonalen zu einer sehr viel größeren Baulänge der Röhre führt.
Schema der Braunschen Röhre
http://sgh.codework.de/telegraf/roehre1.htm
Ferdinand Braun Institut Online
(http://www.fbh-berlin.de/deutsch/f_braun.htm)
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Aufbau der Kathodenstrahlröhre
Der Aufbau der eigentlichen Kathodenstrahlröhre, wie die Braunsche Röhre auch genannt wird,
ist relativ einfach. Alle Bestandteile sind im absoluten Vakuum untergebracht, da der für die
Darstellung eines Leuchtpunktes auf dem Bildschirm notwendige Elektronenstrahl nur im
Vakuum auftreten kann. Erzeugt werden die Elektronen von der Kathode, die aus einem speziell
behandeltem Metall besteht, das Elektronen aussendet, wenn es mit einem Heizelement erhitzt
wird.
Dadurch daß die Anode gegenüber der Kathode auf einem höheren Potential gehalten wird,
entsteht von der Kathode zur Anode ein elektrisches Feld, an dem sich die negativ geladen
Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode zubewegen.
Bei einer Spannung von 200V tun sie dies mit einer Geschwindigkeit von immerhin 8400 km/h;
das sind 3% der Lichtgeschwindigkeit. Theoretisch sollte es mit einer sehr hohen Spannung
möglich sein, Elektronen auf Lichtgeschwindigkeit oder sogar darüber zu bringen. Dies scheitert
in der Praxis jedoch daran, daß schon bei der Annäherung der Lichtgeschwindigkeit die Masse
und somit die Trägheit der Elektronen so stark zunimmt, daß die Lichtgeschwindigkeit nie ganz
erreicht werden kann.
Um die Kathode herum ist der Wehnelt-Zylinder angebracht, an dem eine regelbare Spannung
angelegt ist, mit deren Hilfe man bestimmen kann, wie viele Elektronen durch ein elektrisches
Feld zurückgehalten werden sollen und somit eine Helligkeitssteuerung für den Leuchtpunkt
erhält.
Da der Elektronenstrahl von der Kathode sehr stark streut und so kein klarer Punkt erzeugt wird,
muss der Strahl erst noch durch eine Fokussierungsvorrichtung (Lochmaske) durchgehen, wo er
durch die dort erzeugten Feldlinien in gleicher Weise beeinflusst wird, wie es optische Linsen mit
einem Lichtstrahl tun (der Strahl wird gebündelt).
Der Farbfernseher:
Der Fernseher funktioniert ähnlich wie das Oszilloskop. Die Unterschiede sind, daß bei
Farbfernseher drei Elektronenstrahlen erzeugt werden, einer für je eine der Grundfarben Rot,
Grün und Blau. Die Strahlen werden auch nicht durch elektrische Felder abgelenkt, sonder durch
magnetische. Das Fernsehbild besteht von oben nach unten aus 625 Zeilen, die von drei Strahlen
Zeile für Zeile von links nach rechts abgetastet werden, bis sie an der Unterkante des Bildes
angelangt sind. Danach springen sie wieder auf den Startpunkt zurück. Ein Einzelbild baut sich in
einer Zeit von 1/25s auf, was bedeutet, daß pro Sekunde 25 Bilder auf dem Fernsehbildschirm
entstehen und wieder verschwinden müssen. Diese Tatsache ist sehr entscheiden für die Wahl des
fluoreszierenden Materials, das man für die Beschichtung der Bildröhren benutzt. Wenn das
Material vom Elektronenstrahl getroffen wird, leuchtet es noch eine Zeit lang nach. Wenn diese
Zeit länger als 1/25s ist, dann entsteht der Eindruck, daß das Fernsehbild verwischt wird. Wenn
die Nachleuchtdauer jedoch kürzer als 1/25s ist, verschwindet das Bild bevor ein neues aufgebaut
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wird; es entsteht der Eindruck des Flackerns. Dieses Problem gibt es bei Oszilloskopen nicht,
weil die Geschwindigkeit der wechselnden Vorgänge geringer ist.
Das Fernsehen
(aus: ‚Physik 3‘ – Sexl – Kühnelt – Pflug – Stadler)
Das Fernsehen ist das wichtigste Massenmedium unserer Zeit. Wie sehr es unser Denken und
Handeln beeinflußt, ist uns oft nicht bewußt und ist in seiner vollen Tragweite kaum
abzuschätzen.
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Auf Grund des großen Informationsgehalts von Bildern stellt das Fernsehen die größten
Ansprüche an die Übertragungstechnik. Die wichtigsten Komponenten sind Videokamera und
Bildröhre.
Die Bildröhre
Um 1900 entwickelte Ferdinand BRAUN ein "Verfahren zur Demonstration des zeitlichen
Verlaufs variabler Ströme". Nach diesem Prinzip arbeitet nicht nur das in der Nachrichtentechnik
häufig benutzte Oszilloskop, sondern auch die Bildröhre des Fernsehapparates.
In einer evakuierten Glasröhre befindet sich eine geheizte Kathode, die Elektronen aussendet. Sie
werden durch eine Spannung von ca. 15 kV zu einer ringförmigen Anode hin beschleunigt,
durchlaufen sie und prallen mit großer Geschwindigkeit auf den Leuchtschirm. Dort regen sie die
Atome der Fluoreszenzschicht zum Leuchten an. Zur Regelung der Intensität dieses
Leuchtpunktes ist die Kathode von einem Wehnelt-Zylinder umgeben. Durch ein kleines Loch an
seiner Stirnfläche kann ein feiner Elektronenstrahl austreten. Seine Intensität wird durch Anlegen
einer Steuerspannung an den Wehnelt-Zylinder geregelt. Ist diese Spannung negativ, so treten nur
wenige Elektronen aus, und der Bildpunkt am Leuchtschirm erlischt.
Wenn auf dem Bildschirm nicht nur ein Leuchtfleck, sondern ein Bild entstehen soll, muß der
Elektronenstrahl über die fluoreszierende Schicht des Leuchtschirms geführt werden. Die
Ablenkung kann durch elektrische oder magnetische Felder erfolgen. Um die Baulänge der Röhre
möglichst kurz zu halten, erfolgt in der Fernsehröhre die Ablenkung mittels Magnetspulen, wobei
für die horizontale, bzw. vertikale Ablenkung je ein Spulenpaar benötigt wird. Zur Erzeugung
eines Bildes lenkt man den Elektronenstrahl zeilenweise über den Bildschirm und verändert
gleichzeitig die Spannung am Wehnelt-Zylinder, so daß helle und dunkle Bildpunkte entstehen.
Die optimale Anzahlt der Zeilen ist durch das Verhältnis des Sehwinkels des ruhenden Auges (ca.
10°) zum Auflösungsvermögen (1') gegeben. Das ergibt ein Verhältnis von 600:1 oder 600
Zeilen. In Mitteleuropa wurde durch Beschluß des Comité Consultatif International de
Radiodiffusion (CCIR) die Zeilenanzahl auf 625 (in den USA 525 Zeilen) festgelegt, von denen
wegen des Zeilenrücklaufs nur 575 sichtbar sind. (Eine neue Norm steht zur Diskussion, HDTV
(High Definition TV, hochauflösendes Fernsehen mit 1250 Zeilen)).
Übertragung eines Fernsehbildes
Die Information wird durch Modulation der Schwingungen eines Hochfrequenzsenders
übertragen. Neben dem Bildsignal enthält das gesamte Videosignal noch ein Austastsignal, das
die Steuerelektronik veranlasst, beim Strahlrücklauf die Intensität des Elektronenstrahls zu
reduzieren, und ein Synchronsignal, das garantiert, dass die Ablenkung des Strahls synchron zum
Bildsignal erfolgt.
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Wie wird ein Fernsehbild aufgebaut.
(http://www.fvss.de/facharbeiten/fernsehtechnik/index.html)
Wie funktioniert die Bildröhre (Kathodenstrahlröhre)?
Man hat eine Möglichkeit gesucht Elektronen zu bündeln und in einem Punkt zu vereinen. Als
erstes gelang dies K.F. Braun (1850 - 1918). Er erfand als erster Mensch die Kathodenstrahlröhre
und nannte sie Braunsche Röhre. Benutzt wird die Braunsche Röhre vor allem in Fernsehgeräten
und in wissenschaftlichen Geräten wie dem Oszillograph oder dem Radargerät. Wie funktioniert
nun diese Röhre? Da sich die Elektronen in einem Leiter in ständiger wilder Bewegung befinden
und durch Zusammenstöße niemals alle in einer engsten Umgebung zusammenkommen würden
(Dies gilt bei normaler, gemäßigter Temperatur), war es schwer einen Leuchtpunkt mit
Elektronen herzustellen. Bei höherer Temperatur nehmen die Bewegungen und Zusammenstöße
zu, bis zum Glühen des Leiters.
Beim Glühen treten einzelne Elektronen aus. Diesen Vorgang des Elektronenaustritts nennt man
Elektonenemission. Diese Emission geht von der Kathode aus, bei einer
"Schicht-Kathode" erhält man schon bei dunkler Rotglut (ca. 100 °C) eine starke
Elektronenemission, also einen sehr lebhaften Fluß der Elektronen durch die Kathodenoberfläche
hindurch in den umgebenden Raum. Wir setzen ein kleines Kathodenplättchen vor eine
Heizspirale in ein luftleeres, trichterförmiges Glasgefäß. Am anderen Ende des Glasgefäßes ist
ein Belag aus einem elektrischen leitenden Materials die "Anode" angebracht. Wird durch eine
Batteriespannung die Anode positiv aufgeladen, dann wird die vor der Kathode anliegende
Elektronenwolke mit großer Geschwindigkeit zur Anode hingezogen und prasselt als ein
Elektronenregen auf dieser nieder. Diese Batterie wirkt wie eine Elektronenpumpe, sie saugt mit
ihrem positiven Pol die negativ geladenen Elektronen an und preßt sie aus ihrem negativen Pol
(Die Kathode) wieder heraus. So entsteht ein Kreislauf von fliegenden Elektronen von der
Kathode zur Anode. Es fließt also ein ununterbrochener und völlig gleichmäßiger
Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode. Da ein Vakuum in dem Glasgefäß vorhanden ist,
haben die Elektronen keinen Widerstand auf ihrem Weg zur Anode, sie erreichen daher sehr hohe
Geschwindigkeiten, diese hängt aber vom Potentialunterschied zwischen Kathode und Anode ab.
Bei einer Spannung von einigen hundert Volt erreicht man Geschwindigkeiten von ca. 10000
Kilometer pro Sekunde. Mit einigen Zehntausend Volt kann man die Elektronen schon fast auf
Lichtgeschwindigkeit bringen. Bei manchen Materialien der Anode (z.B. Zinksulfit) erkannte
man schon früh, beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode einen kleinen Lichtschimmer.
Diese Erscheinung nennt man Lumineszenz-Effekt (genauer Kathodenlumineszenzeffect). Es
handelt sich um nichts anderes, als daß im Moment des Aufpralls die Bewegungsenergie der
Elektronen in Wärmeenergie und Lichtenergie umgewandelt wird. Je heller das Licht sein soll,
desto mehr Elektronen müssen in dem Moment auf den Schirm prallen und die Energie der
Elektronen muß groß sein. Beide Werte sind vom Potentialunterschied der Kathode und der
Anode abhängig. Je stärker dieses Feld, um so intensiver wird die Elektronenwolke an der
Kathode weggesaugt, um so mehr Elektronen können also die Kathode verlassen und zum
Leuchtschirm fliegen. Die beschleunigende Kraft wird natürlich auch größer und die Elektronen
prallen mit höherer Geschwindigkeit auf den Leuchtschirm. Höhere Geschwindigkeit bedeutet
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höhere Auftreffenergie und damit größere Helligkeit des Leuchtschirmes. Es wird aber nicht alle
Elektronenenergie in Licht umgewandelt wird, sondern der größte Teil wird in Wärme
umgewandelt. Ein scharf gebündelter Elektronenstrahl kann schon nach kurzer Zeit einen
Brennfleck in dem Leuchtschirm hinterlassen. Also muß der Leuchtschirm diese Wärme im
genügendem Maße an das Glas und an die Umgebung abgeben.
Das alles ist das grundsätzliche Prinzip der Kathodenstrahlröhre. Bevor diese Röhre aber zu dem
universal verwendbarem Instrument wurde, ohne das heute kaum mehr irgendwelche
Messungen, Kontrollen, oder Untersuchungen auf den meisten Gebieten der Technik denkbar
sind, mußte sie noch in dreierlei Hinsichten erweitert und verbessert werden:
1.An Stelle einer großen und nur schwach leuchtenden Fläche, sollte ein kleiner, heller und
scharfer Leuchtpunkt entstehen. Dazu mußten die von der Kathode in breitem Strahl
wegfliegenden Elektronen zu einem sehr dünnen Strahl "fokussiert" werden.
2.Dieser dünne Elektronenstrahl und sein Leuchtpunkt am Schirm sollten durch elektrische Mittel
beliebig über den ganzen Leuchtschirm hin und her bewegt werden können.
3.Die Helligkeit des Leuchtpunktes sollte nach Belieben zwischen maximal hell und völlig
unsichtbar (dunkel) regelbar sein.
Helligkeitsregelung:
Die Kathode ist von einem Hohlzylinder umgeben, der in seiner vorderen Stirnwand eine kleine
Öffnung hat. Diese kleine Öffnung reicht aus um das Anziehungsfeld der Anode weiterhin
aufrecht zu erhalten. Der Hohlzylinder wurde nach seinem Erfinder allgemein Wehneltzylinder
genannt. Die Elektronen werden nun wie durch ein Kanonenrohr aus der Öffnung
herausgeschossen, man spricht auch von der Elektronenkanone, womit die ganze vom
Wehneltzylinder umschlossene Einheit gemeint ist.
Nun wird neben der Hochspannung zwischen Kathode und Anode noch eine kleinere Spannung
von einigen Volt zwischen Kathode und Wehneltzylinder angelegt und zwar so, daß der negative
Pol am Wehneltzylinder liegt. So wird im Wehneltzylinder eine Art Bremsfeld erzeugt, und es
können weniger Elektronen herausgesaugt werden und zum Leuchtschirm fliegen, der
Leuchtschirm wird dann weniger hell sein. Vergrößert man nun diese Spannung zwischen
Kathode und Wehneltzylinder mehr und mehr, dann wird der Elektronenstrom durch die Röhre
und damit die Helligkeit des Leuchtschirms immer kleiner, bis keine Elektronen mehr im Stande
sind aus der Kathode herauszutreten. Dann bleibt der Leuchtschirm dunkel. Richtet man es nun
so ein, daß eine verändernde Spannung an Kathode und Wehneltzylinder anliegt, dann wird sich
die Helligkeit des Leuchtschirms genau im Rhythmus dieser Spannungsschwankung ändern.
Diese Helligkeitssteuerung geht völlig trägheitslos vor sich, also versucht man dem Leuchtschirm
eine gewisse Trägheit zu geben, damit der Punkt noch einige Millisekunden nachleuchtet, um so
das Flimmern des Fernsehbildes wegzubekommen.
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Die Ablenkung des Elektronenstrahls:
Elektrostatische Ablenkung
Da die Elektronen negativ geladen sind werden sie von jedem positiven Potential angezogen.
Was passiert wenn man zusätzlich zu der in Längsrichtung gerichtetes Feld noch ein
quergerichtetes Feld auf die Elektronen in einer Kathodenstrahlröhre einwirkt?
Durchfliegen die Elektronen auf ihrem Weg zum Leuchtschirm dieses Querfeld, dann wirkt
kurzzeitig eine Konstante, zu der positiven Seite hin. Die Bahnen werden daher etwas gekrümmt,
und das Elektronenbündel setzt ihren Weg in der veränderten Richtung fort.
Man kann anstatt eines senkrechten Ablenkfeldes zusätzlich ein waagerechtes Ablenkfeld
einbauen, so werden sich die Ablenkungen nach der Polarität der Elektronen eine Ablenkung
nach links, rechts, oben und unten ergeben. Man muß jetzt die an den beiden Elektronenpaaren
wirkende Ablenkspannung in geeignetem Rhythmus mit der entsprechenden Geschwindigkeit
ändern um den Leuchtfleck an jede Position des Leuchtschirms zu bringen. Ansonsten geht auch
diese trägheitslos vonstatten. Man benutzt aber heutzutage die Magnetische Ablenkung
Magnetische Ablenkung :
Um jeden Elektronenstrom, gleichgültig ob dieser Strom durch einen Leiter oder durch einen
luftleeren Raum fließt, bildet sich ein Magnetfeld. Da ein stromdurchflossener Leiter mit den
dahinfliegenden Elektronen vergleichbar ist und ebenso ein Hufeisenmagnet mit einem
Elektromagneten, kann man diese Elektronenablenkmethode auch in die Kathodenstrahlröhre
einbauen. Man erreicht das Ergebnis, daß der stromdurchflossene Leiter sich dem Kraftfeld beugt
und weicht dem Magnetfeld aus. Also wird das Elektronenbündel sich auch dem Kraftfeld des
Elektromagneten beugen und auch ausweichen. Man kann damit genau die gleiche Ablenkung
wie bei der elektrostatischen Ablenkung erreichen. Die Größe und Richtung der Ablenkung hängt
natürlich wieder von der Stärke und der Richtung des Magnetfeldes ab, und da diese wieder
durch die Magnetentwicklung des fliegenden Elektronenbündels abhängt, kann man so jede
gewünschte Ablenkung in senkrechter Richtung erhalten. Baut man nun die gleiche
Magnetenanordnung zusätzlich horizontal ein, kann man somit das Elektronenbündel auch in
waagrechter Richtung ablenken. Durch geschickte Kombination der horizontalen und vertikalen
Ablenkung, kann man nun den Leuchtpunkt an jede Stelle des Schirms bringen. Genau wie bei
der elektrostatischen Ablenkung. Man kann nun den Leuchtpunkt zu jeder gewünschten
Bewegung über den Schirm veranlassen.
Vergleich der beiden Ablenkmethoden:
Es hängt vom Verwendungszweck der Kathodenstrahlröhre ab, ob elektrostatische oder
magnetische Ablenkung angewandt wird. Bei Meß- oder Kontroll- Oszillografen wird stets
elektrostatische Ablenkung mit vier Ablenkelektroden angewandt. Da die Ablenkwinkel des
Elektronenstrahls nicht groß sind, können auch die erforderlichen Ablenkspannungen mühelos in
Röhren- oder Transistorschaltungen erzeugt werden.
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Anders ist dies bei Fernsehbildröhren mit ihren sehr großen Ablenkwinkeln von bis zu 110°.
Hierfür wird bis heute die magnetische Ablenkung mit äußeren Ablenkspulen angewandt.
Elektrostatische Ablenkung erfordert nicht nur komplizierte Einrichtung zur Erzeugung der sehr
hohen Ablenkspannung, sondern hat über dies gezeigt, daß die Bildverzerrung in den äußeren
Teilen viel stärker ist als bei der magnetischen Ablenkung.
Die Fokussierung des Elektronenstrahls:
Die Fokussierung (bündeln) des Elektronenstrahls kann auch wieder mit Hilfe von Kraftfeldern
geschehen. Man kann auch hier wieder elektrostatische und magnetische Felder zur
Strahlfokussierung heranziehen. Diese Felder haben nun die Aufgabe die sich in einem
bestimmten Winkel ausbreitende Elektronenwolke so abzulenken, daß sich ihre Bahnen
schließlich alle in einem einzigen Punkt kreuzen. In diesem Schnittpunkt ist die Energie aller
Elektronen konzentriert und ergibt am Leuchtschirm den hellsten und schärften Leuchtpunkt.
Dieser Vorgang ist mit einem Vorgang in der Optik vergleichbar. In der Optik werden mit Hilfe
von Linsen die Lichtstrahlen so umgelenkt, daß sie wieder zusammenlaufen und sich schließlich
in einem einzigen Punkt wieder kreuzen. Dieser Punkt heißt Bildpunkt. Man spricht auch bei der
Kathodenstrahlröhre von Elektronenlinsen, genauer von elektrostatischen oder magnetischen
Linsen. Allgemein heißt diese Technik, die sich mit der Ablenkung von Elektronen befaßt,
Elektronenoptik.
Bewegt sich ein Elektron in beliebiger Richtung (aber nicht parallel zu den Kraftlinien ) durch ein
Magnetfeld, dann erfährt es in jedem Augenblick eine Ablenkkraft, die sowohl senkrecht auf
seine eigene Bewegungsrichtung, als auch auf die Richtung der Kraftlinien steht. Bewegt sich das
Elektron jedoch parallel zu den Kraftlinien, dann entsteht keinerlei Ablenkkraft.
Wir lassen nun ein einzelnes Elektron in ein Magnetfeld hineinfliegen um zu sehen wie es durch
das Magnetfeld abgelenkt wird. Das Elektron durchfließt das Magnetfeld in einer
Schraubenform, die je nach Einflugrichtung steiler oder flacher sein kann. Es gibt nur zwei Fälle
wo es zu keiner Schraubenbewegung kommt. Das ist erstens, wenn sich das Elektron in einem
ideal parallelgerichteten Feld genau senkrecht zu den Feldlinien bewegt. Und zweitens, wenn
sich ein Elektron in einem Feld genau parallel zu den Kraftlinien bewegt. Diese beiden Fälle
können aber kaum ganz verwirklicht werden. Also ist die schraubenförmige Elektronenbewegung
für die gesamte Elektronenoptik von größter Bedeutung.
Man kann aber eins nicht außer Betracht lassen; Wir haben bisher nur von homogenen Feldern
gesprochen, diese kommen aber in der Wirklichkeit nicht vor. Das Feld reicht im allgemeinen
über den Polschnitt hinaus und geht allmählich in den umgebenen, feldfreien Raum über. Diese
Ablenkung in den inhomogenen Randfeldern hat im allgemeinen wenig Bedeutung.
Magnetische Fokussierung mit "kurzen" Feldern
Man kann diese Fokussierung damit vergleichen, dass man in einen Hufeisenmagnet eine
kreisförmige Öffnung hineinbohrt. Durch diese Öffnung lassen wir nun den Elektronenstrom
fließen.
Diese ringförmigen Randfelder besitzen die bemerkenswerte Eigenschaft, daß Elektronen, die
von einem Punkt auf der Achse des Feldes ausgehend, sich unter nicht zu großen Winkeln von
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der Ausrichtung entfernen, durch ihre komplizierten Schraubenbewegungen gerade so abgelenkt
werden, daß sie nach dem verlassen des Feldes auf einen gemeinsamen Punkt zufliegen und sich
dort kreuzen. Dabei hängt die Entfernung des gemeinsamen Schnittpunktes der Elektronen
einerseits von der Elektronengeschwindigkeit ab, andererseits von der Stärke des Magnetfeldes.
In der Praxis wird daher die Feldstärke verändert um den Schnittpunkt genau in die Ebene des
Leuchtschirms fallen zu lassen.
Praktische Ausführungen magnetischer Linsen
Es gibt drei Arten von magnetischen Linsen. Die erste ist die elektromagnetische Fokussierung,
sie wird nur in einem ringförmigen Spalt wirksam, der an der Innenseite des die Spule
umschließenden Eigengehäuses vorgesehen ist. Diese Möglichkeit ergibt den kleinsten und
schärfsten Leuchtpunkt, ist aber sehr teuer und wird daher nur in Geräten mit hohen Ansprüchen
angewandt. Die zweite ist die permanentmagnetische Fokussierung, auch hier wird das Feld nur
an einem ringförmigen Spalt des Eigengehäuses wirksam. Durch verschieben des Ringes werden
die Feldverhältnisse in und um den Spalt geändert und damit das Elektronenbündel richtig
fokussiert. Bei beiden Möglichkeiten mit einem einzelnen Magneten ergibt sich der Nachteil, daß
ein mehr oder weniger starkes Streufeld entsteht. So entsteht ein verschwommener Leuchtpunkt,
der noch zusätzlich von der horizontalen und vertikalen Ablenkung störend beeinflußt wird und
Bildverzerrungen hervorruft. Bei der dritten Ausführung wird ein solches Streufeld, durch eine
zweifache Anordnung dieser permanentmagnetischen Fokussierungseinheit, vermieden. Die
beiden Ringe werden nebeneinander angeordnet und haben die gleiche, aber entgegengesetzte
magnetische Wirkung.
Dadurch wird das Feld nur im umschlossenen Raum aufrecht gehalten, im umgebenden Raum
heben sich die beiden Wirkungen gegenseitig auf. Die Schraubenbewegungen werden zwar durch
dieses Doppelfeld noch komplizierter, aber die Fokussierung wird dadurch nicht beeinflußt. Das
letzte Verfahren ist erst möglich seitdem die Entwicklung des besonderen magnetischen
Werkstoffs Ferroxdure erfunden war. Vorher haben die Magneten bei dieser Doppelanordnung
ihren Magnetismus verloren.
Magnetische Fokussierung mit "langen" Feldern
Der Unterschied besteht darin, daß hierbei die Elektronen sofort nach ihrem Abschuß in die
Schraubenbahn gebracht werden, weil die Kathode bei langen Feldern sich bereits im Magnetfeld
befindet. Die Elektronen durchfliegen zwar alle verschieden Schraubenradien, verschiedene
Abflugwinkel sind die Gründe. Aber das Bemerkenswerte ist, daß sich bei einer solchen
Anordnung trotzdem alle in einem Punkt wieder treffen. Genau wie bei den kurzen Feldern. Man
kann aber nun nach der fünften oder sechsten vollem Umdrehung abermals ein Kreuzungspunkt
aller Elektronen feststellen. So hat man auch die Elektronenfokussierung bei langen Magnetfelder
erreicht. Praktisch läßt sich das lange Feld, das ja die ganze Röhre von der Kathode bis zur
Anode vollkommen homogen erfüllen muß, nur durch eine große, die ganze Röhre einschließlich
das Leuchtschirmes umfassende, stromdurchflossene Spule erzeugen. Somit scheidet diese Art
der Fokussierung für die sehr großen, modernen Fernsehbildröhren aus.
Elektrostatische Linsen
Die Elektronenlinse besteht aus zwei ringförmig angebrachten Elektroden, wobei die zweite
Elektrode ein höheres Potential als die erste haben muß. Wegen des Potentialunterschiedes
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entsteht ein elektrisches Feld. Die Kraftlinien verlaufen gekrümmt, was durch einfache
Experimente nachzuweisen ist und das Wichtigste bei dieser Anordnung ist.
Man darf nun aber nicht annehmen, daß die Elektronen durch die erste Ablenkung von der
zweiten Ablenkung wieder aufgehoben wird. Das Elektron wird ja durch die anziehende Kraft
der Anode beschleunigt, bewegt sich also mit rasch zunehmender Geschwindigkeit auf seiner
Bahn, und durchfliegt daher die zweite Feldhälfte in viel kürzerer Zeit als die erste.
Dementsprechend wird der Einfluß und die Ablenkung durch die zweite Feldhälfte viel geringer
sein. Das Elektron wird schließlich mit einer zur Mittellinie hin geneigten Richtung das Ringfeld
verlassen und sich irgendwo mit allen anderen Elektronen in einem Punkt treffen um so einen
einzigen scharfen Leuchtpunkt zu erzeugen. Die Entfernung des Schnittpunktes hängt wieder
einerseits von der Stärke des Fokussierfeldes, also dem Potentialunterschied zwischen den beiden
Elektronen und andererseits auch wiederum von der Geschwindigkeit des Elektrons im Feld
zwischen Kathode und Anode in der Röhre, ab. Genau so wie bei der magnetischen
Fokussierung.
Praktische Ausführung elektrostatischer Linsen
In der Praxis haben elektrostatische Linsen kaum die in Abb.4 schematisch dargestellte Form.
Das wesentliche aller elektrostatischen Linsen ist der gekrümmte Feldverlauf zwischen zwei
Elektroden verschiedenen Potentials. Man kann genau wie in der Licht-Optik in der ElektronenOptik mehrere Linsen hintereinander schalten, das beste Beispiel dafür ist das
Elektronenmikroskop. Man kann heute den Elektronenstrahl auf einen Punkt von nicht mehr als
einigen hundertstel Millimeter fokussieren.
Man benutzt heute in den Fernsehbildröhren die elektrostatische Fokussierung, weil sie geringere
Kosten verursacht als die magnetische Fokussierung. Diese wird überall da angewandt, wo es auf
eine besonders hochwertige Fokussierung ankommt, unter anderem auch für die FernsehAufnahmeröhren.
Die Zerteilung und Zerlegung des Fernsehbildes
Das geläufigste Verfahren der Bildzerlegung ist eine Aufteilung in kleine Quadrate oder
Rechtecke, deren Lage durch ihre jeweilige Stelle auf einer Zeile und durch die Zeilennummer
eindeutig angegeben werden kann. Mit diesen Rechtecken kann man einzelne Abbildungen
herstellen. Die Technik zum Aufspalten einer Abbildung in eine Folge einzelner Elemente, die
später an den richtigen Stellen zusammengesetzt werden, bezeichnet man als Abtasten. Bei dem
Vorgang streicht der Sensor (das "Auge") des Abtasters über das gesamte Bild. Der Abtaster
erzeugt ein elektrisches Signal proportional (entsprechend) zur Helligkeit des abgetasteten
Punktes. Beim Empfänger stellt ein zweiter Abtaster ein Bild des Objekts wieder her, indem der
Lichtpunkt moduliert durch das Signal in genauer Übereinstimmung mit dem Sende-Abtaster
wieder rekonstruiert wird.
Es sind im Lauf der Zeit verschiedene mechanische und elektrische Vorrichtungen zum Abtasten
entworfen worden. In fast allen modernen Fernsehsystemen nutzt man die Bewegung eines
Elektronenstrahles, der über die Schirme von Kamera- oder Fernsehempfängerröhren streicht.
Der Vorteil eines Elektronenstrahles besteht darin, daß der Strahl mit einer hohen
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Geschwindigkeit bewegt werden kann und sich ein gesamtes Bild in einem Sekundenbruchteil
abtasten läßt. In einer vereinfachten Form zeigt die Abbildung 5 den Weg, der von einem
Elektronenstrahl beim Abtasten des gesamten Bereiches eines Bildes zurückgelegt wird. Die
durchgezogenen Linien repräsentieren den Weg des Strahles über die Bildoberfläche und die
punktierten Linien die Rücklauf- bzw. Austastperioden. Um den Strahl zum Anfangspunkt der
nächsten Linie oder des nächsten vollständigen Abtastvorganges zurückzubringen, wird der
Strahl während dieser Perioden ausgeschaltet (Austastvorgang). Die Abbildung 5 zeigt ein
einfaches Abtastmuster, das aus vergleichsweise wenigen Zeilen zusammengesetzt ist, sowie die
einfache Wiedergabe des Musters. Heutzutage verwendet man bei der Abtastung eine große
Anzahl von Zeilen, wobei das Muster in zwei versetzten Teilen abgetastet wird.
Ein vollständiges, einzelnes Abtastmuster erzeugt ein einzelnes unbewegtes Bild. Eine Bewegung
setzt sich nach diesem Prinzip aus mehreren unbewegten Bildern zusammen – so als ob man
mehrere Momentaufnahmen macht. Weil diese Abtastmuster mehrmals in der Sekunde
wiederholt und aneinandergereiht werden, vermischen sich diese für den Beobachter zu einer
ununterbrochenen Bewegung.
Je größer die Zahl der aufgezeichneten Elemente in jeder Zeile, desto besser werden Details
wiedergegeben
(Bildgüte). In der Fernsehtechnik müssen die Frequenz der Musterwiederholung und die Anzahl
der verwendeten Abtastzeilen für jedes System standardisiert sein. In der Praxis werden diese
sogenannten Fernsehstandards für alle Sender und Empfänger festgelegt, die in einem Land
genutzt werden. In Europa wird z.B. das PAL-System (Phase Alternate Line: zeilenweise
Phasenänderung) verwendet, das sich aus 625 Zeilen und 25 Bildern (Rahmen) pro Sekunde
zusammensetzt und eine hohe Auflösung bietet, da jedes Bild in zwei Feldern übertragen wird
und damit 50 Halbbilder pro Sekunde angezeigt werden – nach dem Zeilensprungverfahren erst
die ungeraden Zeilen und anschließend alle geraden. In den USA haben sich Fernsehsender und
Fernsehhersteller auf einen Standard mit 525 waagerechten Zeilen und einer Frequenz von 60
Halbbildern pro Sekunde geeinigt. Das französische System (SECAM: Séquentiel à Mémoire,
Speicherfolgensystem) arbeitet ebenfalls mit 525 Zeilen mit 60 Halbbildern pro Sekunde. Klarere
Fernsehbilder können durch eine Erhöhung der Anzahl von Zeilen und Elementen erreicht
werden.
Die Kathodenstrahlröhre als Fernsehbildröhre
Die glühende Kathode stößt nicht nur Elektronen, sondern auch einige andere Teilchen aus. Diese
Teilchen, meist Bruchstücke von Molekülen, können auch elektrisch geladen sein. Diese nennt
man dann Ionen Sie werden den gleichen Weg verfolgen wie die negativen Elektronen, wenn die
Ionen auch Negativ geladen sind. Sie werden auch zu sehr hohen
Geschwindigkeiten beschleunigt und prallen auf den Leuchtschirm. Der Schirm ist aber diesen
Geschossen nicht gewachsen, und würde nach einiger Zeit, von der Mitte ausgehend, braun
verfärben und seine Leuchtkraft verlieren. Daher müssen diese Ionen vom Leuchtschirm
ferngehalten werden. Man kann die Massenträgheit dieser Ionen ausnutzen, sie werden viel
stärker von den Magnetfeldern angezogen als die Elektronen. Man muß nur die
Elektronenkanone schräg richten und vor ihr ein quergerichtetes Magnetfeld einbauen. Die
schweren Ionen fliegen dann geradeaus auf das Feld und zerschmettern dort. Man nennt dies
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nicht umsonst Ionenfalle. Sie muß aber sehr sorgfältig und exakt eingestellt sein, sonst fallen die
Elektronen mit auf das Magnetfeld, oder die andere Möglichkeit ist, daß die Ionen dieser Falle
trotzdem entwischen können. Wenn die Ionenfalle exakt eingestellt ist kann der Kathodenstrahl
in einer Fernsehbildröhre benutzten.
Wie kommt die Farbe ins Bild ?
Farbfernsehen wurde in den USA und anderen Ländern in den fünfziger Jahren eingeführt. In
Deutschland erschien es 1967.
Heutzutage besitzen mehr als 90 Prozent der Haushalte in den Industrieländern Farbfernseher.
Die Übertragung für das Farbfernsehen erfordert zusätzlich zum Helligkeitssignal (auch
Luminanzsignal), das für die Bildreproduktion in schwarz-weiß benötigt wird, ein sogenanntes
Chrominanzsignal, das die Farb-Information enthält. Während das Luminanzsignal die Helligkeit
von aufeinanderfolgenden Bildelementen anzeigt, gibt das Chrominanzsignal den Farbton und die
Sättigung dieser Elemente an. Beide Signale werden aus geeigneten Kombinationen von drei
Videosignalen gewonnen, die durch die Farbfernsehkamera geliefert werden. Dabei entspricht
jedes Signal den Intensitätsveränderungen des Bildes, die durch getrennte geeignete Rot-, Grünund Blaufilter aufgenommen werden. Die kombinierten Helligkeit und Farbsignale lassen sich in
der gleichen Weise übertragen wie das Helligkeitssignal von einem Monochromsender (SchwarzWeiß-Sender). Beim Empfänger werden die drei Farben aus den Helligkeits- und Farbsignalen
wieder hergestellt und die Rot-, Blau- und Grünkomponenten des Bildes erzeugt, die zusammen
überlagert wieder die ursprünglich aufgenommene Szene in ihren natürlichen Farben
wiedergeben.
Wie wird das Farbsignal in der Kamera gebildet?
Das Farbbild passiert die Kameralinse und trifft auf einen dichroitischen (in verschiedene
Richtungen zwei Farben zeigender) Spiegel, der eine Farbe reflektiert und alle anderen Farben
durchlässt. Der Spiegel reflektiert rotes Licht und lässt die blauen und grünen Strahlen durch. Ein
zweiter dichroitischer Spiegel reflektiert das blaue Licht und läßt die grünen Strahlen passieren.
Die drei so erzeugten Bilder, jeweils eines in rot, blau und grün, werden auf die Vorderseiten von
drei Kameraröhren (drei Vidikone oder Plumbikone) gebündelt. Vor den Röhren befinden sich
Farbfilter, die sicherstellen, daß die Farbausgabe jedes Kamerakanals mit den zu
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reproduzierenden Primärfarben Rot, Blau und Grün übereinstimmen. Der Elektronenstrahl in
jeder Röhre tastet das Bildmuster ab und erzeugt ein primäres Farbsignal. Auszüge dieser drei
Farbsignale wandern anschließend in einen elektronischen Addierer, der sie miteinander
kombiniert, um die Helligkeit, das Schwarz-Weiß-Signal, zu produzieren. Signalauszüge werden
außerdem einer anderen Einheit zugeführt, die sie kodiert oder kombiniert, um ein Signal zur
Übertragung der Farbton- und Sättigungsinformationen zu erzeugen. Das Farbsignal wird dann
mit dem Helligkeitssignal kombiniert, um das vollständige Farbfernsehsignal zu bilden, das
anschließend ausgestrahlt wird.
Was macht der Farbfernsehempfänger mit diesem Farbsignal ?
Ein Farbfernsehempfänger enthält eine Dreifarbbildröhre mit drei Elektronenkanonen für je eine
Primärfarbe. Die winzigen Leuchtpunkte auf dem Schirm sind in Dreiergruppen mit jeweils
einem roten, grünen und blauen Leuchtstoff in jeder Gruppe angeordnet. Jeweils eine
Schattenmaske (Lochmaske) zwischen den Kathoden der Röhre und dem Bildschirm besitzt
kleine Löcher, die so positioniert sind, daß der Elektronenstrom jeder Elektronenstrahlquelle auf
einen Leuchtstoffpunkt mit der richtigen Farbe trifft. Der Strahl, der die Rotinformationen
"zeichnet", trifft also nur auf rote Leuchtstoffpunkte usw. Wenn das eintreffende Farbsignal einen
Farbfernsehempfänger erreicht, durchläuft es einen Filter, der die Farbe von der Helligkeit trennt.
Die Farbinformation wird dann dekodiert. Bei der Rekombination mit der Helligkeitsinformation
wird eine Reihe von Primärfarbsignalen erzeugt und der Dreifarbröhre zugeführt, um so das Bild
wiederzugeben, das von der Kamera aufgezeichnet wurde. Wenn ein Farbfernsehsignal einen
Schwarz-Weiß-Empfänger erreicht, werden die zu Farbton und Sättigung gehörenden
Elektronendaten von den Schaltungen des Empfängers ignoriert, und nur das Helligkeitssignal
wird beachtet.
Was hat die Lochmaske in einem Farbfernseher für Aufgaben?
Die eigentliche Farbdarstellung beim Farbfernseher wird nicht durch die Elektronenstrahlen,
sondern durch das Fluoreszenzmaterial erzeugt. Auf der Mattscheibe sind diese Materialien in
Form von kleinen Punkten aufgebracht, die in R,G,B leuchten, wenn sie vom Strahl getroffen
werden. Um sicherzugehen, daß kein Elektronenstrahl aus Versehen eine andere Farbe als der
ihm zugeordneten anregt, muß er, bevor er auf den Schirm auftrifft, noch eine Lochmaske
passieren, die dafür sorgt, daß nur die Punkte getroffen werden, die auch angeregt werden sollen.
Durch Mischung dieser drei Farben kann man nun jede beliebige Farbe des Spektrums auf dem
Bildschirm erzeugen.
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