3B SCIENTIFIC PHYSICS 1023095 User manual

3B SCIENTIFIC®PHYSICS
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Franck-Hertz-Röhre mit Hg-Füllung und Heizofen
1023095 (230 V, 50/60 Hz)
1023094 (115 V, 50/60 Hz)
Bedienungsanleitung
10/21 ALF/ SD/ GH
1)
EIN/AUS-Schalter
2)
Betriebsanzeige
3)
Stelltaste „SET“
4)
Display
5)
Stelltasten „+/-“
6)
Thermische Isolation
7)
Rändelschrauben
8)
Frontplatte mit Franck-Hertz-Röhre
(nicht sichtbar)
9)
Anschlussbuchse Kathode
10)
Anschlussbuchse Röhrenheizung
11)
Anschlussbuchse Anode
12)
Signalausgang BNC-Buchse
13)
Heizofen
14)
Klemmfederhalterung für Thermometer
15)
Tragegriff
1. Sicherheitshinweise
Das Gerät entspricht den Sicherheitsbestimmun-
gen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und
Laborgeräte nach DIN EN 61010 Teil 1 und ist
nach Schutzklasse I aufgebaut. Es ist für den Be-
trieb in trockenen Räumen vorgesehen, welche
für elektrische Betriebsmittel oder Einrichtungen
geeignet sind.
Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist der si-
chere Betrieb des Gerätes gewährleistet. Die Si-
cherheit ist jedoch nicht garantiert, wenn das Ge-
rät unsachgemäß bedient oder unachtsam be-
handelt wird. Wenn anzunehmen ist, dass ein ge-
fahrloser Betrieb nicht mehr möglich ist, ist das
Gerät unverzüglich außer Betrieb zu setzen (z.B.
bei sichtbaren Schäden) und gegen unbeabsich-
tigten Betrieb zu sichern.
In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist der
Betrieb des Gerätes durch geschultes Personal
verantwortlich zu überwachen.
Vor der Erstinbetriebnahme überprüfen, ob das
Gerät für die ortsübliche Netzspannung ausge-
legt ist.
Vor Versuchsbeginn Gerät auf Beschädigun-
gen untersuchen.
Bei sichtbaren Schäden oder Funktionsstörun-
genistdasGerätunverzüglichaußerBetriebzu
setzen.

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Gerät nur an Steckdosen mit geerdetem Null-
leiter anschließen.
Gerät nur durch eine Elektrofachkraft öffnen las-
sen.
Vorsicht Verbrennungsgefahr! Ofenwände und
Sichtfenster können im Betrieb eine Temperatur
bis 300° C erreichen.
Heizofen auf eine hitzeunempfindliche Unter-
lage stellen.
Im Betrieb Heizofen nur an isoliertem Trage-
griff transportieren.
Vor dem Abbau des Experiments Gerät ab-
kühlen lassen.
Vorsicht Glasbruch- und damit Verletzungs-
gefahr!
Frontplatte mit allen sechs Rändelschrauben
am Heizofen befestigen.
Franck-Hertz-Röhre keinen mechanischen
Belastungen aussetzen. Anschlussdrähte
nicht verbiegen.
Die Franck-Hertz-Röhre enthält Quecksilber.
Bei Glasbruch und austretendem Quecksil-
ber sind die Sicherheitsvorschriften zum Um-
gang mit Quecksilber zu beachten.
2. Beschreibung
Die Franck-Hertz-Röhre mit Quecksilberfüllung
dient zum Nachweis der gequantelten Energieab-
gabe freier Elektronen beim Zusammenstoß mit
Quecksilberatomen sowie zur Bestimmung der
Anregungsenergie der Quecksilber-Resonanzlinie
(61S0–63P1) mit 4,9 eV.
Franck-Hertz-Röhre auf Frontplatte
Die Franck-Hertz-Röhre ist eine hoch evakuierte
Elektronenröhre mit Quecksilberfüllung und plan-
parallelem Elektrodensystem bestehend aus in-
direkt geheizter Oxidkathode mit Lochblende,
netzförmiger Anode und einer Auffängerelekt-
rode. Um eine hohe Stoßwahrscheinlichkeit zu
erhalten, ist der Abstand zwischen Kathode und
Anode groß gewählt (8 mm) gegenüber der mitt-
leren freien Weglänge in der Hg-Atmosphäre (bei
ca. 180° C). Der Abstand zwischen Anode und
Auffängerelektrode ist dagegen klein gehalten. In
der Höhe der Netzanode ist eine Erdungsschelle
angebracht, die störende Einstreuungen verhin-
dert. Die Röhre ist auswechselbar auf die Front-
platte des Heizofens montiert. Auf der Frontplatte
befinden sich die keramisch isolierten Anschluss-
buchsen und das Röhrensymbol. Die Franck-
Hertz-Röhre ist so montiert, dass die ganze Röhre
einschließlich der Anschlussdrähte auf eine kon-
stante Temperatur kommt. Dies ist erforderlich,
weil sich die Dampfdichte des Quecksilbers stets
nach der kältesten Stelle der Röhre einstellt. Leck-
ströme über die heiße, ionenleitende Glaswand
werden durch einen Schutzring aus Sinterkorund
verhindert. Zwischen der Anschlussbuchse für die
Beschleunigungsspannung und der Anode der
Röhre ist ein Begrenzungswiderstand (10 kOhm)
fest eingebaut. Durch ihn ist die Röhre geschützt,
sollte es bei einer zu hohen Spannung zu einem
Durchzünden kommen. Der Spannungsabfall an
diesem Widerstand kann bei der Messung ver-
nachlässigt werden.
Heizofen
DerHeizofen dientzurEinstellungdes Dampfdrucks
in der Franck-Hertz-Röhre mit Hg-Füllung und zur
Durchführung des Experiments mit der Natrium-Flu-
oreszens-Röhre (1000913).
Er besteht aus einem pulverlackierten Stahlblechge-
häuse mit zwei Sichtfenstern. Die Frontplatte wird
mittels sechs Rändelschraubenam Gehäuse befes-
tigt. Die Beheizung des Ofens geschieht über einen
Rohrheizkörper im Boden des Ofens. Temperatur-
messung und -regelung erfolgt über einen integrier-
ten Mikrokontroller und einen PT100-Messfühler.
DiedigitaleTemperaturanzeigeermöglichtdasAble-
sen von Soll- und Ist-Temperatur. Mittels der Stell-
taste „SET“ kann die Anzeige der Temperatur zwi-
schen ° Celsius und ° Fahrenheit gewählt werden.
Die Stelltasten „+/-“ dienen zur Einstellung der Soll-
Temperatur in 1 K-Schritten. Auf der Oberseite be-
finden sich eine Öffnung mit Klemmfederhalterung
füreinThermometerundeinthermisch isolierterTra-
gegriff.
Das Gerät 1023094 ist für eine Netzspannung
von 115 V (±10 %) ausgelegt und 1023095 für
230 V (±10 %).
2.1. Lieferumfang
1 Franck-Hertz-Röhre mit Quecksilberfüllung
auf Frontplatte
1 Heizofen ohne Frontplatte
1 Bedienungsanleitung
3. Technische Daten
Franck-Hertz-Röhre
Heizung: 4 bis 9 V AC/DC
Gitterspannung: 0 bis 80 V
Gegenspannung: ca. 1,5 V
Betriebstemperatur: ca. 160° C - 200° C
Abmessungen der Röhre: ca. 160 mm x 30 mm
Ø
Masse: ca. 380 g

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Heizofen
Netzanschlussspannung: siehe Gehäuserück-
seite
Öffnung der Frontseite: ca. 230 x 160 mm2
Heizleistung: 800 W @230 V
400 W @115 V
Maximale Temperatur: 300°C @230 V
250°C @115 V
Temperaturkonstanz ca. ±1°C
Abmessungen: ca. 335x180x165 mm³
Masse: ca. 5,6 kg
4. Bedienung
Zur Durchführung des Versuchs sind folgende
Geräte zusätzlich erforderlich:
1 Betriebsgerät für F/H Experiment
@230 V 1012819
oder
@115 V 1012818
1 Digital-Oszilloskop, 2x 30 MHz 1020910
1 HF-Kabel, 1 m 1002746
2 HF-Kabel, BNC / 4-mm-Stecker 1002748
Sicherheitsexperimentierkabel 1002843
Hinweis: Vor dem Einschalten ist das PE-
Verpackungsteil, welches sich hinter der
Röhre befindet, aus dem Innern des Heiz-
ofens zu entfernen.
Frontplatte an die offene Heizofenseite set-
zen und mit den 6 Rändelschrauben befesti-
gen.
Heizofen und Betriebsgerät zunächst ausge-
schaltet lassen und alle Stellknöpfe des Be-
triebsgeräts zum linken Anschlag drehen.
Beschleunigungsspannung nicht an die
kalte Röhre anlegen (Kurzschlussgefahr
durch das enthaltene Quecksilber).
Die Ein- bzw. Ausgänge „A", „F" und „K" mit-
einander verbinden (siehe Fig. 2).
Ausgang „E" der Franck-Hertz-Röhre mittels
BNC-Kabel mit dem entsprechenden Ein-
gang des Betriebsgerätes verbinden.
Ausgang FH Signal „UY“ am Betriebsgerät an
den Y-Eingang und Ausgang „UX“ an den X-
Eingang des Oszilloskops anschließen.
Betriebsgerät einschalten, das Gerät befindet
sich im Rampenmodus.
Heizspannung langsam auf 6 V einstellen.
Die indirekt geheizte Kathode benötigt nach
Anlegen der Heizspannung eine Anheizzeit
von ca. 1:30 min.
Heizofen einschalten, Temperatur von ca.
180° C einstellen und abwarten bis die Röhre
aufgeheizt ist (ca. 5 bis 10 Minuten).
Minimale Beschleunigungsspannung auf Null
stellen, maximale Beschleunigungsspannung
langsam auf 80 V erhöhen.
Die Beschleunigungsspannung jedoch nur so
weit erhöhen, dass in der Röhre keine selb-
ständige Entladung auftritt, denn durch
Stoßionisation wird die Kurve gestört.
Oszilloskop zunächst mit den Einstellungen
x = 1 V/Div und y = 1 V/Div betreiben.
Die Entstehung der Maxima der Franck-Hertz-
Kurve auf dem Bildschirm des Oszilloskops be-
obachten.
Parameter Beschleunigungsspannung, Ka-
thodenheizung, Gegenspannung und
Amplitude so einstellen, dass eine Kurve mit
gut ausgeprägten Maxima/Minima entsteht.
Das beschriebene Verfahren ist eine allge-
meine Einstellprozedur. Unvermeidliche
Exemplarstreuungen bei der Herstellung der
Frank-Hertz-Röhren machen sich durch Un-
terschiede in den optimalen Parametern be-
merkbar. Einen Anhaltspunkt für gute Werte
liefert das den Röhren beiliegende Messpro-
tokoll.
Der Auffängerstrom weist in Abhängigkeit von
der Beschleunigungsspannung periodisch wie-
derkehrende und äquidistante Maxima und Mi-
nima auf. Der Abstand zwischen den Maxima be-
trägt 4,9 V. In der Röhre besteht zwischen Ka-
thode und Anode ein Kontaktpotential von 2 V.
Dies ist die Ursache warum das erste Maximum
bei etwa 7 V liegt.
Auswertung der Franck-Hertz-Kurve
Für die genaue Auswertung der Franck-Hertz-
Kurve wird zusätzlich ein Digital-Voltmeter benö-
tigt. Es ist nicht unbedingt notwendig, den abso-
luten Wert des Elektronenstromes zu bestimmen.
Auf dem Bildschirm des Oszilloskops sollte eine
Franck-Hertz-Kurve mit stark ausgeprägten Ma-
xima eingestellt worden sein.
Digital-Voltmeter am Signalausgang (UX) und
der Massebuchse anschließen (siehe Fig. 3).
Taste „Man/Ramp“ drücken, im Display er-
scheint der Modus „Man“.
Beschleunigungsspannung auf Linksan-
schlag drehen (UA= 0 V).
Im Display erfolgt die Anzeige der Beschleuni-
gungsspannung in 0,5 V-Schritten, um genauere
Messergebnisse zu erzielen kann an die Buch-
sen „A" und „K" zusätzlich ein Digital-Voltmeter
angeschlossen werden, um die Beschleuni-
gungsspannung präziser zu messen.

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Anmerkung: Die Beschleunigungsspannung am
Signalausgang (UX) ist um den Faktor 10 redu-
ziert. Am Digital-Voltmeter wird jedoch zwischen
den Anschlüssen „A" und „K" die volle Beschleu-
nigungsspannung gemessen.
Durch langsame und stetige Erhöhung der Be-
schleunigungsspannung können nun noch exak-
ter die genauen Positionen der Maxima und Mi-
nima mit dem Digitalvoltmeter ermittelt werden.
Optimierung der Kurve
Fig. 5: Darstellung verschiedener Signale der
Franck-Hertz-Röhre.
Die Parameter der Röhre können sich während
der Nutzung der Röhre ändern. Dies passiert
meist entweder aufgrund von Alterungserschei-
nung der Röhre oder auf Grund der Experimen-
tiervorgabe. Das Bild 5.f) stellt den Idealfall der
Kurve dar. Es können jedoch auch andere Fälle
in Erscheinung treten.
Durchzünden der Röhre:
Das Bild 5.a) zeigt den Fall des Durchzündens
der Röhre. Der Anodenstrom steigt rapide bis zu
einem Höchstwert an. In diesem Fall ist sofort die
Beschleunigungsspannung zu senken. Sollte es
vonnöten sein weitere Maxima abzubilden, so ist
die Temperatur des Ofens zuvor zu erhöhen.
Optimierung der Gegenspannung:
Die Bilder 5.b) und 5.c) zeigen eine zu steile,
bzw. zu flache Kurve mit wenigen Maxima. Die
Gegenspannung bestimmt den Anstieg der
Kurve. Je größer die Gegenspannung ist, desto
flacher fällt der Anstieg aus. Im Zusammenspiel
mit der Beschleunigungsspannung lässt sich
auch die Qualität der Maxima leicht verbessern.
Optimierung der Heizspannung:
Die Heizspannung bestimmt die Anzahl der emit-
tierten Elektronen und damit den Anodenstrom.
Je höher die Heizspannung ist, desto mehr Elekt-
ronen werden emittiert. Bild 5.d) zeigt den Fall,
dass der Anodenstrom zu hoch ist. Das Signal
flacht ab einem Grenzwert ab zu einer horizonta-
len Linie. Die maximale Anzahl an zur Verfügung
stehenden Elektronen ist (unter der jeweils gege-
benen Heizspannung) erreicht und der Anoden-
strom bleibt konstant, trotz zunehmender Be-
schleunigungsspannung. Bild 5.e) zeigt den Fall
einer zu geringen Heizspannung auf. Das Signal
hat einen geringen Anstieg und die Maxima sind
schwach ausgebildet, obwohl eine genügend
hohe Anzahl an Maxima vorhanden ist. Eine
Senkung, bzw. Erhöhung der Heizspannung ist in
diesen Fällen oft ausreichend, um eine auswert-
bare Kurve zu erhalten. Hinweis: Eine zu hohe
Heizspannung hat negative Auswirkungen auf
die Lebensdauer der Röhre. Es wird davon abge-
raten die Röhre mit zu hohen Heizspannungen zu
betreiben.
5. Pflege und Wartung
Vor der Reinigung Gerät von der Stromver-
sorgung trennen.
Zum Reinigen ein weiches, feuchtes Tuch be-
nutzen.
6. Entsorgung
Die Verpackung ist bei den örtlichen Recyc-
lingstellen zu entsorgen.
Sofern das Gerät selbst verschrottet wer-
den soll, so gehört dieses nicht in den nor-
malen Hausmüll. Es sind die lokalen Vor-
schriften zur Entsorgung von Elektroschrott
einzuhalten.
Zur Entsorgung der
Franck-Hertz-Röhre
sind die lokalen Vor-
schriften zur Entsor-
gung von Quecksil-
ber einzuhalten.

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Fig. 1 Schematischer Aufbau zur Aufzeichnung der Franck-Hertz-Kurve an Quecksilber (C Katode, G Gitter, A
Auffängerelektrode)
Fig. 2 Experimenteller Aufbau Franck-Hertz-Röhre mit Hg-Füllung
F
KG A
E
XY
+
-
E
F K
A