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Vakuum-Experimente

Wunderschöne Experimente lassen sich mit Hochspannung und Vakuum durchführen. Besonders faszinierende Versuche sind mit selbstgebauten Entladungsröhren möglich. Die Bilder von solchen Entladungen sind einmalig. Unterschiedliche Farbtöne, Helligkeitsübergänge, Hell/Dunkel-Zonen etc...

Natürlich wäre noch eine Vielzahl anderer Vakuum-Versuche möglich. Ich beschränke mich jedoch vorerst auf HV-Entladungsversuche und deren Begleiterscheinungen. Vielleicht erweitere ich die Seite zu einem späteren Zeitpunkt noch um andere Vakuum-Experimente.

Vakuum-Drehschieberpumpe

Um selber Vakuumversuche durchführen zu können, habe ich mir auf ebay diese kleine, einstufige Vakuum-Drehschieberpumpe gekauft. Laut Hersteller kann sie einen Enddruck von bis zu 0.05mbar erzeugen, also ein relativ gutes Vakuum, wenn man den Preis von nur 80 Euro mit einbezieht. Die Pumpe lässt sich problemlos am normalen 230V-Netz (einphasig) betreiben und ist auch nicht sehr laut. Der Hersteller ist mir nicht bekannt; vermutlich handelt es sich um ein billiges Produkt aus China oder sonstwo aus der weiten Welt ;-) Jedenfalls erfüllt sie meine Ansprüche bis jetzt voll und ganz.

Einstufige Drehschieber-Vakuumpumpe

Ölstandsanzeige: Die Füllstandsanzeige sollte immer zwischen dem abgegebenen Minimum- und Maximumlevel liegen. Die Pumpe fasst ca. 350ml Öl. Eine Flasche mit 500ml speziellem Vakuumpumpenöl wurde mit der Pumpe mitgeliefert. Soweit mir bekannt ist, sollte man nur Öle verwenden, die wirklich für diesen Zweck vorgesehen sind.

Ölstandsanzeige Vakuumpumpe

Erste Experimente

Als erstes wurde ein Glas oben mit Sanitär-Silikon abgedichtet und mit einer Elektrode versehen. Das Gefäss wurde auf einen metallenen Kühlkörper gestellt, welcher die Gegenelektrode bildet. Nach dem Evakuieren des Glases und Anlegen einer Hochspannung aus einem Zeilentrafo entstanden folgende Bilder mit Entladungen (die Bilder sind der Reihe nach geordnet, nach zunehmendem Vakuum bzw. abnehmendem Druck):

Bild 1: Einzelner, dünner Entladungskanal, relativ schwaches Vakuum

Bild 2: Der Entladungskanal verschiebt sich in die Mitte und wird deutlich stärker.

Bild 3: Entladung mit Drahtschleife unten als Gegenelektrode

Bild 4: Immer stärkeres Vakuum, steigender Druck, die Entladung geht wieder zurück und die Farbe ändert sich.

Ohne Gegenelektrode im Glas selber kommt es leider immer wieder zu Entladungen über den Schlauch zur geerdeten Vakuumpumpe, wie im nebenstehenden Bild zu sehen ist.

Was auf dem Foto durchaus hübsch aussehen mag, ist während dem experimentieren definitiv unerwünscht. Zwar ist das Metallgehäuse der Pumpe sauber geerdet, aber der Kunststoff-Schlauch würde diese Situation nicht lange mitmachen, ohne zu schmelzen (bzw. es können auch kleine Löcher entstehen, die den Betrieb später verunmöglichen.

Eigenbau-Entladungsröhre

Nun kommen wir zu den Versuchen mit der nebenstehenden, selber gebauten Entladungsröhre. Diese entstand aus einem Glas einer alten, defekten Entlötsaugpumpe und den originalen Gummipfropfen. Hier sind nun beide Elektroden im Glas integriert und es kommt nicht mehr zu Entladungen in Richtung der Pumpe. Leider wird das Glas schnell dunkler, weil sich Teilchen von den Elektroden lösen und sich in Form eines Niederschlags am Glas bemerkbar machen. Besonders um die Elektroden herum sieht man die Spuren des Teilchenbombardements.

=> Für eine grössere Ansicht bitte auf das jeweilige Bild klicken.

Und hier ein paar Entladungsbilder bei unterschiedlichen Drücken:

Entladung gleich nach dem Zündvorgang Rötliche Entladung bei hohem Druck

Bild links: Etwas stärkere Entladung mit einsetzenden Schichtentladungen, allerdings noch sehr diffus

Bild rechts: Schichtentladungen in der Entladungsröhre; hier schon ziemlich deutlich sichtbar

Wechselnde Farben der Entladung Fast graue Entladung, niedriger Druck

Ziemlich starkes Vakuum Röhre in Betrieb bei Tageslicht

Fluoreszierende Mineralien in der Entladungsröhre

Fluoreszenz von Mineralien durch Elektronenbeschuss

Nach einiger Betriebszeit wird die Glas-Innenseite der Röhre um die Kathode herum mit einem hauchdünnen Metallfilm überzogen. Es handelt sich um abgestossenes Elektrodenmaterial der Kathodenseite. Je dicker die Elektrode und je höher der Röhrenstrom, desto schneller tritt der Effekt ein. Ein paar Stunden in 30-prozentige Salzsäure eingelegt behebt das Problem jedoch wieder auf wundersame Weise ;-)

Abgesputtertes Material an der Kathodenseite der Röhreninnenwand

Neue, grössere Selbstbau-Gasentladungsröhre aus Plexiglas (50cm)

Als nächstes erfolgte der Bau einer grösseren Plexiglasröhre. Sie hat eine Länge von 50cm. Ursprünglich wollte ich eigentlich eine 1m lange Entladungsröhre bauen, aber da waren eine Menge Rückschläge, sodass ich die Röhre immer wieder kürzen musste (wobei meiner Meinung nach auch 50cm noch relativ lang ist :-)). Plexiglas ist ein bisschen heikler als normales Glas bezüglich Hitzebeständigkeit und vermutlich auch hinsichtlich UV-Beständigkeit. Da ich diesmal jedoch viel kleinere Ströme fliessen liess, konnte auch diese Röhre schlussendlich dauerhaft betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen. Mit niedrigeren Strömen spielt auch das Sputtering-Problem keine so grosse Rolle mehr. Die folgende Röhre wurde mit 1500V Brennspannung und 1mA Röhrenstrom betrieben. Einige Bilder vom Betrieb:

Noch relativ hoher Druck: Violette, gleichmässige Entladung Positive Säule: Geschichtete Entladung

... und das Ganze mal noch bei Dunkelheit

Kathodenseite der Röhre, Kathodenglimmlicht ganz links im Bild Ablenkung mit Ringmagnet

Detailbilder zur magnetischen Ablenkung, einmal mit Ringmagnet, das andere Mal mit Magnet aus defekter Festplatte

Aufbau der Röhre

Diese Röhre ist an ihren Enden mit einfachen Gummistotzen abgedichtet, welche man für Glasflaschenverschlüsse verwendet. Solche Gummipfropfen eignen sich hervorragend zum Dichten. Sie sind auch ziemlich hitzebeständig und lassen sich gut durchbohren, um die Elektroden anzubringen. Zudem lassen sie sich problemlos entfernen und erneut befestigen, wenn man am Aufbau was ändern möchte. Man bekommt solche Gummipfropfen beispielweise in den grösseren Landi-Läden in der Schweiz. Man kann die Röhre jedoch auch mit Sanitär-Silikon oder Araldit oder was ähnlichem abdichten. Die Plexiglasröhre stammt von Distrelec und wird in 1m langen Stücken und in verschiedenen Durchmessern geliefert.

Um noch schönere Entladungen zu erhalten und vor allem ein noch schöneres Kathodenglimmlicht, ist es von Vorteil, zumindest die Kathode in Scheibenform auszuführen statt als Spitze. Dazu habe ich eine alte 1-Rappen-Münze aus Kupfer an einen Kupferdraht gelötet. Das sieht dann so aus:

Scheibenelektrode für Entladungsröhre, bestehend aus alter, kupferner Münze

Bei kleinen Strömen (bis 1mA) hält das Lötzinn der Hitze problemlos stand, selbst über mehrere Minuten. Allerdings verursacht die Kupferscheibenelektrode einen gut sichtbaren, schwarzen Ring aus abgesputtertem Material an der Röhreninnenwand, wie auf dem nebenstehenden Foto gut zu sehen ist.

Geschichtete Entladungen

Auf den meisten Bildern sieht man geschichtete Entladungen, also keine gleichmässige Licht-Abstrahlung wie bei einer Leuchtstoffröhre. Diese Schichtung der Entladungen kommt bei bestimmten Druckverhältnissen und bestimmten Röhrenströmen zustande. Damit sie ruhig bleibt, muss der Druck in der Röhre möglichst konstant bleiben. Wodurch entsteht diese interessante Schichtenform? Die Elektronen werden zwischen Kathode und positiver Säule beschleunigt und ionisieren einzelne Gasmoleküle. Dadurch werden diese angeregt und geben kurz danach ihre Energie wieder als Lichtquanten ab. Bei einem solchen Zusammenstoss verliert das Elektron seine Energie und muss erneut beschleunigt werden, um erneut Gasmoleküle anregen zu können. Aus diesem Grund folgen abwechselnd dunkle und wieder helle Zonen in der positiven Säule. Bitte beachten Sie: Ich bin kein Physiker und kenne mich mit diesen Vorgängen nicht optimal aus, deswegen ist es gut möglich, dass diese Erklärung etwas laienhaft rüberkommt. Falls Sie das alles etwas genauer wissen und meine Erklärung ergänzen oder verbessern können, bin ich dankbar.

Kathode Anode

Leuchterscheinungen bei einer Gasentladung

Kleine Eigenbau-HV-Speisung für Gasentladungsröhren

Für Vakuum-Röhren-Experimente empfiehlt es sich, ein kleines HV-Netzgerät aus einem Zeilentrafo, bzw. einem DST (Diodensplittrafo aus einem Röhren-Fernseher oder Röhrenmonitor) zu bauen. Ich habe mir zu diesem Zweck folgende, äusserst simple low-Power-Schaltung zusammengebaut:

Hochspannungsnetzteil für Vakuum-Experimente

Die Schaltung ist wirklich einfach gehalten. Mit einem TL494 Oszillator (wie er bei der SSTC-2 gezeigt wird) wird ein Rechtecksignal erzeugt, bei welchem die Frequenz und das Tastverhältnis verändert werden können. Darauf folgt ein ICL7667 Mosfettreiber, welcher wiederum eine kleine Single-Mosfet-Endstufe mit einem IRF640 ansteuert. Dieser wiederum gibt sein Signal an eine separat auf den Kern angebrachte Spule mit ca. 18 Windungen. Der einzelne IRF640 reicht durchaus für solch kleine Leistungen, wie sie bei diesen Versuchen benötigt werden. Für andere Hochspannungs-Experimente wäre die Endstufe jedoch zu schwach. Was sich bei den Versuchen als hilfreich herausgestellt hat: Die verstellbare Frequenz und das verstellbare Tastverhältnis. Über diese beiden Grössen kann man indirekt den Kurzschlussstrom der Schaltung in relativ weiten Grenzen verstellen, und somit auch relativ mühelos unterschiedliche Entladungsmuster oder eben stehende Scheibenentladungen erzeugen. Mit einem HV-Netzteil mit fixer Ausgangsspannung und fixem Ausgangsstrom (beispielswiese eines aus einem Laserdrucker oder Fotokopierer) erhält man dann unter umständen nur eine gleichmässig leuchtende Röhre, ähnlich einer Leuchtstoffröhre.

Material für Vakuum-Versuche

Gummiteile aller Art für den dichten Verschluss von Glas- und Plexiglasgefässen, Schläuche, Adapterstücke, Teflonband für das Abdichten von Schraubübergängen, Splitter-Schutzbrille für die Sicherheit. Die Gummischläuche, Adapterstücke, die Schutzbrille, das Teflonband und das Glasgefäss, welches für die ersten hier gezeigten Versuche genommen wurde, stammen aus dem Coop Bau und Hobby. Die Plexiglasröhren können bei Distrelec AG bezogen werden. Die kleine Glasröhre stammt aus einer uralten, defekten Entlötsaugpumpe.

Besonders solche rote Gummipfropfen sind sehr praktisch für den Bau von Gas-Entladungsröhren. Sie sind in den Landi-Läden erhältlich als Zubehör für Glasflaschenverschlüsse. Auch die Dichtungsringe stammen von der selben Quelle. Andere Teile kann man teilweise auch gut als Gummidichtungsstücke für Entladungsröhren zweckentfremden, insbesondere Gummifüsse von elektronischen Geräten oder Tür-Gummistopper, welche ebenfalls im Baumarkt erhältlich sind. Auch vom Baumarkt stammt das anfänglich verwendete Sanitärsilikon für Dichtungen. Die Gummistotzen sind jedoch die bessere Wahl.

Warnungen

Noch ein Wort zur Sicherheit: Bei Versuchen dieser Art gibt es verschiedenste Gefahren:

Implosionsgefahr: Vorallem bei Gläsern, welche nicht vakuumgeprüft sind (Gurkengläser, Einmachgläser und Co) besteht Implosionsgefahr, da diese Gläser unter Umständen dem Umgebungsdruck nicht mehr standhalten können, wenn sie evakuiert werden. Zumindest eine Schutzbrille ist Pflicht!!

Röntgenstrahlung: Bei sehr gutem Vakuum (bzw. extrem niedrigem Druck) und speziell bei glühenden Elektroden kann Röntgenstrahlung entstehen. Zwar ist dies hier bei meinem Aufbau wirklich ausgeschlossen (die gemessene Brennspannung der Röhre beträgt gerade mal zwischen 1.5 und 2kV), aber ich möchte dennoch darauf hinweisen und je nach Aufbau und Stärke des Vakuums kann das natürlich anders aussehen. Bitte führen Sie solche Versuche nur durch, wenn Sie sich eingehend mit der Materie auseinandergesetzt haben!

UV-Strahlung: Bei diesen Versuchen wäre eine Sonnenbrille nicht schlecht. Diese bietet zwar nicht hundertprozentige Sicherheit, dürfte aber sicher besser sein als gar nichts.

Hochspannung: Gefahr durch einen elektrischen Schlag. Das sollte zwar eigentlich absolut selbstverständlich sein, der Vollständigkeit halber sei hier dennoch darauf hingewiesen. Die Aufbauten laden sich übrigens auch gerne auf während den Experimenten, somit sollte vor dem Berühren des Aufbaus zuerst mit einem HV-Kabel die Röhre kurzgeschlossen werden.