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Der Kathodenfall des Glimmstromes im Magnetfeld.

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31
2. Der Eathodemfall des Gldrnmstromes dvn iWagm<etfeld; vom J. S t a r k .
8 1. Einleituny. - Bringt man einen stromdurchflossenen
Wismutdraht in ein Magnetfeld, so steigt die Spannungsdifferenz
an seinen Enden unter gleichzeitigem Sinken der Stromstarke.
Lagert man uber die Linien des Glimmstromes raumlich magnetische Kraftlinien , so verandern diese ebenfalls Stromstarke
und Elektrodenspannung. I m Wismutdraht ist unabhangig von
der Gegenwart eines elektrischen Stromes in allen Punkten
Leitfahigkeit vorhanden, die elektrische StrBmung hat in ihm
in allen Punkten die gleiche Form. Im Glimmstrom durch
ein Qas dagegen wird die Ionisation in einem Punkte erst
durch den StoS seiner bewegten Ionen geschaffen, dazu besteht
er aue mehreren voneinander betrachtlichen verschiedenen
Teilen.
Uber den EinfluS des Magnetfeldes auf Elektrodenspannung
und Stirke des Glimmstromes sind schon zahlreiche Untersuchungen angestellt worden, die sehr mannigfaltige, scheinbar
regellose und widersprechende Resultate lieferten. Am erfolgreichsten war eine Untersuchung von E. R i e c k e l), indem sie
die Gesichtspunkte zu einer experimentellen Analyse der Erscheinung fand. Nach E. R i e c k e setzt sich dier Einfluf3
eines Magnetfeldes auf die Elektrodenspannnng des Glimmstromes aus zwei Teilen zusammen, einer Erhohung des Spannungsabfalles in der positiven Lichtsaule und einer Erniedrigung des Spannungsabfalles an der Kathode.
Vor langerer Zeit schon stellte ich Messungen iiber den
Kathodenfall des Glimmstromes an; einen kurzen Bericht gab
ich uber sie bereits an einer anderen Ste1le.B) Neuerdings
habe ich diese Versuche unter verbesserten UmstZinden wiederholt und weiter gefihrt.
1) E. R i e c k e , Ann. d. Phys. 4. p. 592. 1901.
J. Stark, Die Elektrizitlit in Gasen p. 405. Leipzig 1902.
2)
J . Stark.
32
8 2. Yersuchsanordnung. - Der Stromkreis setzte sich
bei meinen Versuchen aus folgenden Teilen zusammen : Hochspannungsbatterie, Jodkadmiumwiderstand, Unterbrecher, Anode,
Ihthode der Stromrohre, Telephon, Mikroampbremeter, Erde,
Batterie.
Als Gasfilllung diente trockene, fettfreie Luft. Der Gasdruck in der Stromrohre wurde nnch der Kompressionswethode l)
bestimmt. Um den storenden EinfluE der Selbstevakuation zu
beseitigen, war an die Stromrohre noch ein groEes, 1 Liter
haltendes GefaB angeschlossen.
Zur Messung des Kathodenfalles dienten geeignet angebrachte Sonden, diese waren entweder mit einem B r a u n schen
Elektrometer fur hohe Spannungen oder mit einem multizellularen Elektrometer fur niedrige Spannungen verbunden ; die
Gehause der Elektrometer lagen an der Kathode des Glimmstromes.
Das Magnetfeld wurde mittels zweier gleicher Magnetisierungsspulen mit dicken zylindrischen Eisenkernen erzeugt.
Sie waren hintereinander geschaltet und konaxial 80 aufgestellt,
daS zwischen ihnen ein eben hinreichender Zwischenraum blieb
zur Aufnahme der Stromrohre. I m Gebiet des Glimmstromes
war das Magnetfeld homogen. Die Stirke des Magnetisierungsstromes wurde mit einem Prazisionsampkremeter gemessen.
Dieses nnd das Mikroampkremeter waren so weit vom Magnetfeld
aufgestellt, da6 sie nicht gestort wurden.
Die Starke des Magnetisierungsstromes wurde von 0 bis
10 Amp. variiert ; innerhalb dieses Bereiches war die magnetische Feldstarke proportional der Stromstarke. Dies zeigt
die nachstehende Eichkurve (Fig. 1); sie wurde mit Probespule
und ballistischem Galvanometer ermittdt. Die’ remanente Feldstarke ist in ihr nicht enthalten; diese ist vielmehr a19 Nullpunkt angenommen.
8 3.
Yerlauf der hathodischen Stromlinien im Magnetfeld.
-
I n metallischen und elektrolytischen Leitern erfahren die
Stromlinien durch ein Magnetfeld nur insofern eine Anderung,
als der Halleffekt auftritt; I m Glimmstrom sind sowohl in
dem negativen Glimmlicht wie in der positiven Lichtsaule die
1)
El. i. G. p. 18.
Kathodenfall des Glimmstromes im Nagnetfeld.
33
Triiger des negatiren Stromes die kleinmrtssigen negativen
Elektronionen. Diese erfahren einerseits eine gro6e magnetische Ablenkung ; andererseits erzeugen sie durch ihren Stolj
die Ionisation ; wo sie nicht vorhanden sind, ist auch diese
und die elektrische Stromung nicht vorhanden. Aus diesen
Grunden werden die Linien des Glimmstromes so stark durch
ein Magnetfeld beeinflufit.
F u r uns kommt hier in erster Linie die Veranderung der
Stromlinien an der Kathode in Betraeht. Lauft ein von der
Kathode ausgehender Kathodenstrahl, der j a eine Stromlinie
darstellt , in der Richtung einer magnetischen Krsftlinie , so
Fig. 1.
erfahrt er keine Ablenkung. Dagegen werden die sekundaren
Strahlen, die durch Zerstreuung der bis dnhin unabgelenkten
Strahlen im Gase entstehen, am seitlichen Abirren von der
primaren Strahlenrichtung durch die magnetischen Kraftlinien
gehindert, indem sie um diese spiralig gewickelt werden. Auf'
diese Weise vermehrt ein X a p e t f e l d die Zahl der Stromlinien
negativer Elektrizital in seiner Richtung ; es z w h y t sie in seiner
Hichtung den Querschnitt beizubehalten, den sie in ihrem c'rsprung
an, der Kathode haben. Infolgedessen vermag das von den
Kathodenstrahlen erzeugte negative Glimmlicht weiter in der
Richtung des Magnetfeldes vorzudringen und das positive Licht
zuriickzuschieben.
Besitzen die von der Kathode ausgehenden negativen
Strahlen eine Geschwindigkeitskomponente normal zu den
Annden der Physlk. IV. Folge. 12.
3
34
J. stark.
magnetischen Kraftlinien, so werden sie von diesen abgelenkt.
Die transversale Bewegung geht in eine kreisformige um die
Kraftlinien iiber ; die Strahlen konnen sich nicht mittels der
transversalen Komponente von der Kathode entfernen, sondern
werden in deren Nahe vom Magnetfeld festgehalten und kommen
dann hier im Gnse zur Absorption. Indem so ein Maynetfeld
transversal laufende Kathodenstrahlenergie in der Babe der Kathode zur Absorption im Gase brinyt, 7UiTkt es wie eine Erhohuny
des Gasdruckes, insofern die Kathodenstrahlen um so naher
an der Kathode im Gase absorbiert werden, je gro0er dessen
Druck ist.
Au6er der Verstarkung der gleichlaufenden kathodischen
Stromlinien und der Zusammendrangung und Krummung der
transversal laufenden , bringt ein Magnetfeld noch eine dritte
Wirkung auf die Stromlinien an der Kathode hervor. Wie
ich an anderer Stelle I) dargelegt habe, bedingen sich erste
Kathodenschicht und negative Glimmschicht gegenseitig ; da
wo ein Teil der einen nicht entstehen kann, vermag in
paralleler Lage der entsprechende Teil der anderen auch nicht
zu stande zu kommen; wird die eine verschoben, so folgt ihr
parallel such die andere. Nun hindern magnetische Kraftlinien transversale Stromlinien, ihre anfangliche Eichtung fortzusetzen, sie zwingen sie ihrer eigenen Richtung zu folgen.
Auf diese Weise kann ein Magnetfeld die Stelle verschieben,
in welcher die negativen von der Kathode weglaufenden
Strahlen in der negativen Glimmschicht im Gas zur Absorption kommen; es kann den Querschnitt der negativen Glimmschicht und damit dann auch die erste Kathodenschicht schmiilern.
Ein transversales Maynetfeld vermag also die Basis des Glimmstromes an der Kathode oder die mit Glimmlicht bedeckte Oberfiache der Kathode zu verkleinern. Beispiele dieser Wirkung
wurden bereits an anderer Stelle (El. i. G. p. 402) gegeben;
Fig. 5 unten stellt die Erscheinung ebenfalls dar ; weiter unten
wird noch ofter davon die Rede sein.
In der vorstehenden Wirkung beeinflubt das Magnetfeld die
negativen von der Kathode weglaufenden Stromlinien ; es ist
hierbei angenommen, da6 die Wirkung auf die positiven
_
I
1)
~
J. Stark, Ann. d. Phys. 7. p. 434. 1902.
Kathodenfnll des Glimmstromes im Magnetfeld.
35
Strahlen, welche auf die Kathode zulaufen und in der ersten
Kathodenschicht das Gas ionisieren , in gleichem Sinne verlauft oder , wenn entgegengesetzt, doch zuriicktritt. Es ist
indes auch der Fall moglich, daB die Wirkung auf die Kathodenstrahlen gering ist und die WirRuny auf die Kanalstrahlen eine
Yeranderung und zwar eine Perbreiteruny der Grundflache des
negativen Glimmlichtes hervorbrin,gt. Man kann diese unter folgenden Umstanden beobachten. Big. 2 zeigt eine Scheiben-
Fig. 2.
Fig. 3.
kathode, die nahe von der Glaswand umgeben ist. Infolge der
positiven Ladung l) der Glaswande im Kathodendunkelraum erfahren die auf die Kathode zulaufenden positiven Kanalstrahlen
eine AbstoBung nach der Mitte; die Niveauflachen der Spannung sind nicht z u r Achse senkrechte Ebenen ; die Stromlinien
sind etwas gegen die Rohrachse geneigt. Die erste Kathodenschicht ist auf die Mitte der Scheibe beschrankt. Erregt man
nun parallel zur Rohrachse, senkrecht zur ScheibenflOche, ein
homogenes Magnetfeld, so werden die vom Rande der negstiven Glimmschicht nach der Scheibenmitte laufenden Kanalstrahlen vom longitudinalen Magnetfeld an der transversalen
Bewegung gehindert und gezwuugen, in der Nahe der Rohrwand zu bleiben. Die Folge davon ist eine Verbreitgrung der
Grundflache des Glimmlichtes, wie Fig. 3 zeigt.
8 4. Anschlup der positiven Lichtsaule an das negative
Glimmlicht. - Da in der positiven Lichtsaule des Glimmstromes die Ionisation durch die negativen von der Kathode
herkommenden Elektronionen erzeugt wird, so mug die positive
Lichtsaule immer Anschlup suchen an das Ende der negativen
Glimmschicht und jeder einzelne Ted der Lichtsaule an den unmittelbar vorau-sgehenden von der Kathode herhornmenden. Teil.
Diese Regel, welche allgemein und auch fiir den Fall der
Gegenwart eines Magnetfeldes gilt, wurde bereits an anderer
1)
A. Wehnelt, Ann. d. Phys. 10. p. 542. 1903.
3'
J. 8 h k .
36
Stelle (El. i. G. p. 403) mit verschiedenartigen Beispielen belegt. Hier seien noch folgende erwahnt.
Die Anode sei eine Scheibe, ihr stehe normal eine Drahtkathode gegeniiber. Bei hSherem Gasdrnck und nicht zu
groBer Stromstarke bedeckt das negative Glimmlicht nur einen
Teil der Kathode; von der ganzen Vorderseite der Anode geht
die positive Lichtsaule aus. Wird parallel zur Drahtkathode
ein Magnetfeld erregt, so wird das negative Glimmlicht gewohnlich vorn an der Spitze der Kathode zu einem diinnen,
diese eng umhiillenden Zylinder zusammengedrangt; gleichzeitig
wird die positive Lichtsaule zusammengeschniirt. Manchmal
kommt es auch vor, da6 das negative Glimmlicht vom Magnetfeld an das hintere Ende der Kathode gedrangt wird; es stellt
dann einen Hohlzylinder dar, der nach der Anode zu offen ist;
analog nimmt dann auch die positive Lichtsaule die Form
eines Hohlzylinders an.
Fig. 4 stellt einen Glimmstrom bei ziemlich hoher Gasverdiinnung im Magnetfeld Null dar; das positive Licht ist
Fig. 4.
Fig. 5.
ganzlich in die Anode verschwunden, da bis zu dieser die
negative Glimmschicht vordringt. I n Fig. 5 ist zu diesem
Glimmstrom ein transversales Magnetfeld erregt. Nunmehr
bedeckt das negative Glimmlicht nur mehr einen kleinen Teil
der Kathode, es ist stark verkiirzt und nach unten an die
Glaswand gedrangt. Da, wo hier die negative Glimmschicht
(erste Schicht an der Kathode) endigt, setzen sich die Stromlinien in einer langen geschichteten, an der Glaswand zusammengedrangten positiven Lichtsaule fort.
5 5. Teilung des negativen Glimmlichtes im Magnetfeld. Gelegentlich der hier mitgeteilten Messungen beobachtete ich
innerhalb eines gewissen Bereiches von Stromstarke, Gasdruck
und magnetischer Feldstarke einen eigenartigen EinfluB des
Magnetfeldes auf das negative Glimmlicht.
Kathodenfbll deu Glimmstromes im Magnetpeld.
37
Die Kathode sei ein 3-4 cm langer Draht. Wie Fig. 6
zeigt l), bedeckt das negative Glimmlicht (erste Kathodenschicht,
Dunkelraum, negative Glimmschicht) bei ziemlich niedrigem
Gasdruck im Magnetfeld Null gleichmaBig die ganze Oberflache.
Erregt man parallel zur Kathode, also senkrecht zu den von
ihr ausgehenden Strahlen ein homogenes Magnetfeld von etwa
190 Gauss, so teilt sich, wie Fig. 7 zeigt, das Glimmlicht in
zwei Teile, die durch einen ziemlich lichtlosen Raum voneinander
getrennt sind. Uber den vorderen ttuf der Kathodenspitze
sitzenden blaulichen (gestrichelt) Teil ist ein rotlicher (punktiert)
Ring positiven Lichtes geschoben ; dieser stellt die Eortsetzung
Fig. 6.
Fig. 7.
Fig. 8.
Fig. 9.
der Stromlinien des hinteren Teiles des Glimmlichtes dar; die
zu dem vorderen Teile gehorende positive Lichtsaule ist in
der Zeichnung nicht zu sehen, .sic beginnt erst in groSerem
Abstande von der Kathodenspitze.
Eine noch groBere magnetische Feldstarke teilt das Glimmlicht in drei, an langeren Kathoden in noch mehr Ringe. c b e r
jeden blaulichen (gestrichelt) Ring negativen Glimmlichtes, ausgenommen uber den hintersten Ring ist ein Ring rotlichen
(punktiert) positiven Lichtes geschoben (Figg. 8 u. 9). Ein
jeder rote Ring gehort als Stromfortsatz zu dem vorhergehenden blauen engeren Ring. In Fig. 9 (Feldstarke etwa
1) Fig. 6, 7, 8, 9 stelleu Ltingeschnitte dar, die raurnlichen Lichtgebilde werden durch Rotation urn die A c h e der Kathode erhdten.
210 Gauss) ist auch das zum vordersten blauen Ring gehorende
positive Licht zu sehen.
Bei konstanter magnetischer Feldstiirke und konstantem
Gosdruck wachst die Zahl der negativen blauen Ringe mit
der Stromstarke. 1st von ihnen einmal die ganze Lange der
Kathode besetzt, so wachst bei weiter zunehmender Stromstarke die Lange des einzelnen Ringes, es wird hierbei dann
unter Umstanden die Zahl unstetig wieder kleiner.
Bei konstanter magnetischer Feldstarke und konstanter
Stromstarke wachst die Lange des einzelnen blauen Ringes
mit sinkendem Gasdruck.
Bei konstanter Stromstarke und konstantem Gasdruck
nimmt die Ringlange ab mit wachsender magnetischer Feldstarke; gleichzeitig wird auch der Durchmesser der blauen
negativen wie der roten positiven Ringe kleiner und diese
schieben sich naher an ihre zugehorigen negativen Ringe heran.
Ferner wird mit wachsender Feldstarke der Abstand des ersten
blauen Ringes von dem Ende des die Kathode haltenden Glasrohres grober; die Grundflache des negativen Glimmlichtes
wird also kleiner.
tj 6. K, i-Kurven im Magnetfeld. - Bezeichnet Kt den
Kathodenfall, i die Stromstarke, p den Gasdruck, f die von
Glimmlicht bedeckte Kathodenoberflache, K,, den normalen
Kathodenfall, k und x Konstanten, so gilt bei konstanter Temperatur (vgl. vorausgehende Abhandlung):
K = K n + - - i ik; ( i - ~ . p . f l / y .
P*f
Bei konstantem Gasdruck wird die Beziehung zwischen K und i
graphisch durch parabolische Kurven dargestell t. Am geeignetsten fur die Prufung dieser Beziehung sind drahtformige
Kathoden. Unter Beo bachtung der in der vorausgehenden Abhandlung angegebenen Vorsichtsmahegeln habe ich mehrere
Messungsreihen uber die Beziehung zwischen Kathodenfall und
Stromstarke im Magnetfeld angestellt. Das Magnetfeld war
hierbei parallel der Drahtkathode aus Platin, stand also senkrecht zu den an dieser entspringenden Strahlen.
Die nachstehenden Tabellen geben mehrere derartige
Messungsreihen (i Stromstarke in Mikroampkre, K Kathodenfall in Volt, p Druck in Millimetern, H F e l d s t i k e in Gauss).
Kathodenfall des Glimmstromes im Mapetfeld.
p = 0,166.
-.________.
_ _H
=0
1
H = 97
p
1
39
= 0,493
-
A = 190
H=O
1
H = 190
a'
__
82
110
158
262
340
448
541
613
-~
-
I1
550
88
430 1 1
'720
780
850
895
920
311
415
580
732
850
492 l l
510 1
540
1
1,
:ii ''1
410
122
322
455
435
456
616
457
786 1 457
920 [ 460
580
724
831
90
357
390
475
520
560
123
183
433
616
783
350
360
390
40%
In Fig. 10 sind die vorstehenden Messungen in Kurven
eingetragen. Wie man aus den Tabellen und den Kurven er-
sieht, verandert ein transversales Magnetfeld sowohl Kathodenfall wie Stromstirke; die K , i-Kurven erfahren durch ein
J. Stark.
40
Magnetfeld eine Form- und Lageanderung. Die magnetische
Feldstarke tritt als variabler Parameter in das Kathodenfallgesetz; es entsteht die Aufgabe, zu untersuchen, welche einzelne
GroBen in der oben angegehenen Pormel Fuaktionen der
magnetischen Feldstiirke sind.
8 7 . Der normale Kathodenfall im Magnetfeld. - Die
Konstante k;, in der obigen Formel fur den Kathodenfall,
der normale Kathodenfall, der unabhangig ist von Stromdichte,
Gasdruck und Temperatur, ist auch unabhangig von einem
Magnetfkld, mag es longitudinal oder transversal zu den Rathodischen
Stromiinien laufen.
Diesen Satz habe ich sowohl an Draht- wie an Scheibenkathoden bestatigt. Unter Umstanden scheint jedoch ein
Magnetfeld den normalen Kathodenfall sowohl zu erniedrigen
wie zu erhohen. 1st nanilich der Glimmstrom im Magnetfeld
unstetig, singt also das Telephon, so wachst der Kathodenfall,
sowie bei Erregung des Magnetfeldes das Telephon verstummt.
1st umgekehrt der Stroln im Magnetfeld Null stetig, 80 sinkt
der Kathodenfall, sowie Erregung des Magnetfeldes ein Singen
des Telephons bewirkt. Diese Beobachtungen erklaren sich
dnraus, daB bei pulsierendem Strom das Elektrometer nicht
den Maximalwert der Spannung der Sonde, also den normalen
Kathodenfall, sondern einen kleineren Mittelwert angibt.
5 8. Die Stromdichte im Xagnetfeld. - In der Formel
fur den Kathodenfall
k
K = K + ----(i-x.p.f)’/*
n
P.f’/?
stellt i l f h e wirklich vorhandene Stromdichte, x . p = jndie
norrnale Stromdichte (El. i. G. p. 128) dar. Die von G‘limmlicht bedeckte Oberflache f der Kathode ist, wie oben bereits
dargelegt wurde , eine Punktion der magnetischen Feldstarcke H,
und zwar wird f ’ in einem transversalen Magnetfeld Rleiner mit
wachsendem li, in einem lon.qitudialen Magnetfeld, das senkrecht
zzi einm eng umwandeten Scheibenkathode steht, wird f ’ groper
mit wachsendem H. Im ersten Falle wird gleichzeitig die Stromstarke i grof3er ; darum wird durch ein transversales Magnetfeld
die Stromdichtej = i/f’ vergropert. Im zweiten Falle wird gleichzeitig mit f auch i groBer und zwar etwas schneller als f’;
darum wird auch durcli ein longitudiirales Magnetfeld die Strom-
Kathodenfall des Glimmstromes im Magnetfeld.
41
dichte erhiiht, aber betrachtlich weniyer als durch sin transversales.
Genaue Messungen der Grundflache f im Magnetfelde
’
lassen sich schwer anstellen; einrnal ist namlich im Magnetfeld
die Grenze zwischen bedeckt und unbedeckt unschiirfer als
ohne Magnetfeld; sodaiin wird dut.ch das Magnetfeld die Perteilung der Stromdichte in der Reyel ungleichmapig, wie es
beispielsweise in der oben beschriebenen Erscheinung der
Teilung des negativen Glinirnlichtes in einzelne Ringe der
Fall ist.
Das Vorstehende gilt allgemein und darum auch fur die
normale Stromdichte j , = x . p ; ttuch die normale Stromdichte
wird durch ein transversales May netfeld veryropert. Dies kann
man am besten an einsr drahtformigen Kathode beobachten,
die parallel zum Magnetfeld gestellt ist. Bedeckt im Feld
Null das negative Glimmlicht nur einen Teil’ der Kathodenoberflache , so zieht sich seine Grundflache zusammen, sowie
das Magnetfeld erregt wird, und zwar um so mehr, je groBer
die magnetische Feldstarke und je kleiner der Gasdruck ist.
Wenn j,, = x . p von einom Magnetfeld abhangig ist, so kann
dies nur daher ruhren, d a p die Konstante x eine Tunkhbn der
Feldstarke H ist. Dies ist auf Grund folgender Uberlegung
verstilndlich. Die normale Stromdichte jn ist um so groSer,
je graBer die Zahl der ZusammenstoBe der Kathodenstrahlen
mit neutralen Gasteilchen in der Nahe der Kathode ist, also
in je groBerer Nahe der Kathode die Kathodenstrahlenergie
vom Gase absorbiert wird. Nun aber bewirkt, wie oben dargelegt wurde, ein transversales Magnetfeld in der Tat, daB
die Kathodenstrahlenergie in grotierer Nahe der Kathode absorbiert wird. J e niedriger der Gasdruck ist, desto langer
wird das Glimmlicht, desto weiter entfernt sich also ohne
Magnetfeld die Kathodenstrahlenergie von der Kathode ; desto
mehr erhoht dann auch ein transversales Magnetfeld die
Stromdichte.
I n der Formel des Kathodenfalles bezeichnet der groBte
Wert von x . p . f t der Wert, f i r den die Grundflache mit
waohsender Stromstarke nicht mehr zunehmen kann, diejenige
Stromstlirke, welche die Grenze bildet zwischen normalem und
abnormalem Kathodenfall oder zwischen dem geraden und dem
42
J. Stark.
parabolischen Teil der K, i-Kurven. Nun lassen schon die
gestrichelten Kurven der Fig. 10 erkennen, dab dieser Punkt
durch ein transversales Magnetfeld nicht verschoben wird. I n
der Tat konnte ich nie beobachten, da6 der abnormale Kathodenfall durch das Magnetfeld auf den Wert des normalen erniedrigt
wnrde. Die Grenzstromstarke x .p .f zwischen nornialem ulul
abnormalem Kathodenfall ist also von einem transversalen Magnetfeld unabhangig. Dies erklart sich daraus, dab in x . p . f
sowohl x wie f eine Funktion der Feldstarke ist, und zwar
nimmt x zu, f ab mit wachsender Feldstarke.
5 9. Katfiodenstrahlen normal zum Maynetfel, Glaswand
entfernt. - Indem die Glaswand die Ausbreitung des negativen
Glimmlichtes hindert , stort sie die normale Entwickeluiig der
Erscheinungen an der Kathode. Um die Kathodenstrahlen
entfernt von der Glaswand und zugleich normal zu magnetischen
Kraftlinien verlaufen zu lassen, wahlt man am besten eine von
einem Glasrohrchen gehaltene Drahtkathode, bringt sie radial
in einem weiten kugelformigen oder axial in einem weiten
zylindrischen Stromgefa6 an; das homogene Magnetfeld la6t
man parallel zur Drahtachse, also senkrecht zu den von seiner
O b e r h h e ausgehenden Kathodenstrahlen laufen.
Durch ein Magnetfeld wird sowohl die Stromstiirke wie
der Kathodenfall geandert ; zur Analyse der Beziehung zwischen
Kathodenfall und Feldstarke ist es notwendig, aquikonstante
Wertereihen beider OroSen zu gewinnen. I n der Formel
k
K = Kn + -+i-
x.p.f)'h
P*f
ist K,,, p und x . p . f unabhangig von H , f ist eine Fnnktion
von H, kann aber nicht konstant gehalten werden. Um
wenigstens i und damit (i - x . p .f ] konstant zu halten, wurden
fir jeden einzelnen in Messung gezogenen Wert von H zwei oder
drei Wertepaare von K und i ermittelt. Diese wurden dann
wie in Fig. 10 graphisch angetragen und durch graphische
Interpolation zu Kurvenstucken verbunden. Ans diesen wurden
dann die zn einem und demselben Werte von i gehorigen
Werte von K fur verschiedene Werte von H entnommen.
In den nachstehenden Tabellen sind mehrere Messungsreihen der bezeichneten Art mitgeteilt. Statt der magnetischen
Kathodenfall des Glimmstromes im Magneykld.
43
Feldskrke selbst ist der ihr proportionale Magnetisierungsstrom J eingetragen.
~
p
=
p = 0,031
0,163
__
K
i
__
~.
1,5
3,2
5
7
10
-
-
413
415
415
407
490
480
480
520
~
~
243
273
320
990
910
795
367
418
517
342
335
328
327
740
775
795
795
565
560
558
558
-
-
1195
1070
915
855
880
895
-
133
194
255
260
240
225
222
~~
1380
1185
1005
1000
1060
1115
1150
1170
_ ___
__
_190
303
403
413
375
350
345
338
1495
1305
1125
1125
1210
1260
1280
1295
In der Fig. 11 sind, um ein Beispiel zu geben, die vorstehenden Werte von Magnetisierungsstrom J und Kathoden-
-.
400
-
0
1
..
2
3
4
5
6
7
iU~imzmgssbwn
i%hpb.e.
8
9
Fig. 11.
fall K in Kurven eingetragen ohne Berucksichtigung des Wertes
der Stromstarke; diese Kurven sind dsrum nicht aquikonstant
in Stromstilrke. Dagegen ist dies der Fall bei den Kurven
44
J. Stark.
der Fig. 12, die auf die oben angegebene Weise durch graphische
Interpolation aus den K, i-Kurven fiir verschiedene H-Werte
gewonnen wurden. Ebenfalls sind die K, J-Kurven in den
Figg, 13 u. 14 aquikonstant in der Stromstarke i. Es eriibrigt
sich, die zugehorigen Messungsreihen mitzuteilen. Es sei nur
bemerkt, daS bei ihnen nicht zwei K, i.Punkte fur jede Kurve
wie in den mitgeteilten Tabellen, sondern drei Punkte ermittelt
wurden.
Wie man sieht, besteht eine jede K, J-Kurve aus einem
absteigenden nnd einem aufsteigenden Ast, auf jenem nimmt
~ w 7 m g C S t r o il
m
r+&.
Fig. 12.
der Kathodenfall s b mit steigender Feldstarke, auf diesem
nimmt er zu, ohne indes seinen Wert fiir H = 0 zu erreichen;
zwiechen ihnen liegt ein Minimum des Kathodenfalles.
Der absteigende Ast besitzt einen Wendepunkt , indem
der Kathodenfall mit wachsendem Magnetisierungsstrom erst
langsam, dann schnell, dann wieder langsamer abnimmt. Diese
Erscheinung durfte sich in folgender Weise erklaren. In den
Figg. 11 u. 12 ist nicht die wirkliche magnetische Feldstarke B
aelbst, sondern nur die magnetisierende Stromstiirke J angetragen.
Nun ist mit Rucksicht auf den remanenten Magnetismus zu
setzen H = H, + C. J , wo €lo
die remanente Feldstarke, Ceinen
Kathodenfall des Glimmstromes im Magnetfeld.
45
Proportionalitltefaktor bedeutet. Neben gro6en Werten yon J
kann H, vernachlassigt werden, nicht aber mehr in der Nahe
von J = 0. Fur J = 0 ist darum R bereits betrachtlich kleiner
als fur H = 0. In den Figg. 12, 13 u. 14 ist darum in Extrapolation durch Punktierung der Verlauf der A', J-Kurven angedeutet fur den Fall, ds6 J such in der Nahe von Null H
gennu ma6e.
A
f
~
~
S
S
t
r
L
l ln*krC/.
l n
Fig. 13.
Fig 14.
An den Kurven fallt weiter auf, daf3 der Wert der Feldstarke J , fur welchen der Kathodenfall ein Minimum hat, unabhangig von der Stromstlrke ist. Die Bedingung fir dieses
Minimum ist:
d I I ( i - x . p . f ) ' / * -ddH
k
d H (;?I;)
+
k
d
P.f'/s
.
-d- (EI - J r . p . f ) l l * = O .
-~
J. Stark.
46
Nun war bei meiner Versuchsanordnung die Anode der negativen
Glimmschicht so nahe, daB die positive Lichtshle sowold im
Magnetfeld Null wie in dem erregten Magnetfeld fehlte ; dieses
lief a n der Anode parallel den Stromlinien und brachte darum
keine Anderung in dem anodischen Teil der Stromung hervor.
Aus diesem Grunde war der Kathodenfall El praktisch gleich
der Elektrodenspannung 1); bezeichnct E die auBere elektromotorische Kraft, r den aufleren Widerstand, so darf man in
diesem Falle setzen i = ( E - . K ) / T . Bei Einfiihrung dieser Beziehung erhalt man :
dK
= (i - x . p
dH
.
f)"2
-
dK
dH
=0
oder
d
d
=0
.
Diese Gleichung wird nur erfullt, wenn
ist. I n dieser Bedingung ist aber die Stromstarke nicht mehr
enthalten. Aus diesem Grunde ist diejenige magnetische E'eldstiirke, welclie das Minimum des Kathodenfalles herstellt,unter den gewahlten
Versuchsbedingungen unabhangig von der
Stromstarke.
In Fig. 15 ist als Abszisse der
Druck angetragen, als Ordinate diejenige
Feldstarke (gemessen in J), welche das
Minimum des Kathodenfalles herstellt.
Wie man sieht, besteht zwischen beiden
GroDen Proportionalitiit.
Es ist zu vermuten, daB die zwei
Aste der -li, J-Kurven zwei Wirkungen
D?7Idoinm
des Magnetfeldes auf den Kathodenfall
Fig. 15.
entsprechen; die eine Wirkung miiBte auf
1)
J. S t a r k , Physik. Zeitschr. 3. p. 88.
1901.
Kathodenfall des Glimmstromes im f l a p e ~ e l d .
47
dem absteigenden Ast den Kathodenfall erniedrigen, die andere
ihn auf dem aufsteigenden Ast erhohen ; fur kleine Feldstarken uberwiegt jene, fur gro6e diese Wirkung. Nach dem in 5 3 u. 8
Gesagten ist es leicht, diese zwei Wirkungen zu erkeiinen. Erstens
werden die Kathodenstrahlen in gro6erer Wahe der Kathode zur
Absorption gebracht , Bhnlich wie bei hoherem Gasdruck; die
hbnstante k nimmt also ab mit steigender iMagnetfeldstarke und
near erst rascii, dann langsam , der Bifferentialquotient d R 1d H
hat also negatives Forziehen. h e i t e n s verkleinert ein transversales
Mugnetfeld die Grundfluche des negativen G‘limmliclites und zwar
urn so mehr, j e niedriger der Gasdruck ist; der Differentialquotient d f l d H ist also ebenfalls negativ. Da K im Zahler,
f ’ im Nenner in der Formel des Kathodenfalles steht, so nimmt
dieser ab infolge Verkleinerung von k , er nimmt indes zu infolge Verkleinerung von f : Die Redingungsgleichung fur das
Minimum
d
ijTf’,*)
k
dk
f - % d-f
= 0 = f-’L
dll - 2
dH
kann erfullt werden, d a die in ihr vorkommenden zwei Differentialquotieriten gleiches Vorzeicheii habeii. L)a d f l d 11 fur kleine
Werte von I1 um so groBer ist, j e kleiner der Qusdruck ist,
so wird das Minimum fur urn so kleinere FeldstRrken erreicht,
j e niedriger der Gasdruck ist.
5 10. Kathodenstralilen normal zum Mugnetf kid, Glaswand
nahe. - Eine Rohre von der in Fig. 4 gezeichneteri Form
wurde in ein transversales Magnetfeld gebracht ; als Kathode
diente die Scheibenelektrode, welche normal zur Rohrachse
stand und mit ihrem Rand die Glaswand beruhrte.
Wie bereits dargelegt wurde und wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, bringt auch hier das transversale Magnetfeld eine
Verkleinerung von f’ hervor. Die Kathodenstrahlen werden
durch die transversale Feldstirke ebenfalls verkurzt und gehindert, von der Kathode sich weit zu entfernen. WBhrend
indes ihre Energie bei entferriter Glaswand im Gas absorbiert
wird, wodurch k abnimmt, wird sie bei naher Glaswand zum
gro6eren Teil an dieser, zum kleineren Teil im Gas in der
Nahe der Kathode absorbiert. Aus diesem Gruride ~ i bei
~ d
naher Glaswand k durch ein transversales Mugnetfkld nur wenig
oder g a r nicht VeThleinert.
48
J,Stark.
Aus dem Vorstelieriden erklart sicli folgcnde Abhangigkeit des Kathodenfalles voii einer transversalen E'eldstarke bei
nalier Glaswand. CVaclist die Feldstarke langsum von
ausgehend, ,SO nimmt der h-atliodenfhll erst ein wenig bis zu einem
Jlinimum ah und steigt dann rasch mil waciisender Feldstiirke
zu sefir Iiohen Werten an.
5 11. Kathodenstrahlen paralld zum Magnetfeld. - EYist
schwer eine Versuchsanordnung zu finden, in welchcr siimtliche
von der Kathode ausgehende Strahlen die gleiche Richtung
besitzen. Diese Bedingung ist niimlich zu crfullen, uni den
EinfluB des Magnetfeldes auf den Kathodenfall bei raumlichem
Zusammenfallen von Kiraftlinien und Kathodenstrahlen isoliert
fur sich zu untersuchen.
Wahlt man als Kathode eine Kreisscheibe, die wie in
E'igg. 2 und 4 normal zur Achse des Glasrohres steht und an
diesem eng anliegt, so laufen die Kathodenstrahlen wohl bei
hoherem Gasdruck, also klciner Lsnge des Kathodeiidunkelraumes, alle parallel der Rohrachse; bei niedrigen Gasdrucken
gehen sie indes nur von der Mitte der Scheibe aus und sind
irifolge der Waiidladung etwas gegen die Rohrachse geneigt
(Fig. 2).
Erregt man im ersten Fall ein Magnetfeld senkrecht zu
der Scheibenkathode , also parallel zu den Kathodenstrahlcn,
so andert sich der Kathodenfall nicht, auch wenn dieser bereits
abnormal ist. Lauf kn also die /iatltodenstrahlen parallel item
Magnetfeld, so ist der Kathodenfall vnabhan.9ig von der mugnetiscfien Jkldstarke.
I m zweiten Falle, bei niedrigem Gasdruck, besitzen die
Kathoden- und Kanalstrahlen eine kleine Geschwindigkeitskomponente normal zu dem bhgnetfeld. Es tritt nunmehr
die oben § 3 besprochene Hrscheinung auf, daB die Grundflache f des Glimmlichtes durch ein paralleles Magnetfeld vergriiBert wird. Von dem NinfluB des Magnetfeldes auf den
Kathodenfall
K = K n + -",I.
p.f'?
(i-x.y.f)'h
in diesem Falle geben die nachstehenden Tabellen ein Beispiel.
Kathodenfall des Glimmstromes im Magnetfeld.
49
LPO'O = d
X I ?
Y
?
,I x
-
I
O E L I 06Z
06LIJL9I
OE81 9E7
0991'OtP
0691 GEC
l-
OEGI 099
- lOLPI ,LOL
OT1iTL
081
OE8
086
OI&l
OZP1
-
OZL
-
OIL
-
OIL
r
?
-OS99Lr
089 PLI
oz9991
OP9P91
- -
019087
- -
OPECLP
O I E LLP
OZE9LP
LZE 9LP
PEEPLP
-
-
06Z 6LP
009 081 06Z 6LP
- - _ _
G6P08I 06Z6Lf
- -
0
I
T
I Z
I P
I €
I 9
9
I L
8
06Z 6LP 08Z ZOiI 01
I 6
hooalen der Physik.
I V . Folge. 12.
4
-
x
Die K, J-Kurven der Fig. 18 sind auf Grund der vorstehenden Tabellen nach der oben angegehenen Art konstruiert; sie sind aquikonstant in Stromstiirke.
Wie aus den Tabellen und Kurven zu ersehen ist, riimmt
der Kathodenfall mit wachsender Feldstarke ab, um schlieBlich einen konstanten Wert anzunehmen ; gleichzeitig wird
auch f gro6er und schlie6lich ebenfalls konstant. Der konstante Wert wird, wie die drei obersten im Druck aquikonstanten Kurven ersehen lassen und leicht zu verstehen ist,
fur um so groflere Feldstarken erreicht, j e groBer die Strahlengeschwindigkeit ist. In der Konstanz des Kathodenfalles bei
groBerer Feldstarke wiederholt sich die bei hoheren Drucken
auftretende Erscheinung, da6 der Kathodenfall unabhangig vom
Magnetfeld ist, wenn Kathodenstrahlen und Kraftlinien parallel
laufen. Diese letztere Bedingung ist namlich bei groberer
Feldstarke erfiillt.
5 12, Kathodenstrahlen gene@ rum Magnetfeld. - Die in
$8 9, 10 und 11 besprocherien Fiille einer Elinwirkung des
Magnetfeldes auf den Kathodenfall des Glimmstromes stellen
einfache und ausgezeichnete Fiille der Erscheinung dar. Sie
schlieben alle ubrigen Falle in kontinuierlichem Ubergang oder
in Ubereinanderlagerung der in ihnen isolierten Wirkungen
zwiechen sich. Es kann kein wissenschaftliches Interesse bieten,
die verwickelten Erscheinungen zu beschreiben, die ein Magnet-
50
J. Stark.
Nrzgnetca-unucgs~
w o r n in A ! + - r .
Fig. 16.
Magnetfeld auch dessen Wirkung auf den Kathodenfall des Qlimmstromes variiert.
6 13. Riickblick. - Ein Magnetfeld verlangert oder ver-
kiirzt die positive Lichtsaule, je nachdem es das negative
Glimmlicht verkurzt oder verlangert; dementsprechend vergroBert oder verkleinert es die auf die positive Lichtsaule entfallende Spannungsdifferenz.
Kathodenfall des Glimmstromes im Magnetfeld.
51
Ein transversales Magnetfeld verringert den Querschnitt
der positiven Lichtsilule; dadurch erhoht es das Spannungsgefalle in dieser. l)
Ein longitudinales Magnetfeld verandert das Spannungsgefalle in der positiven Lichtsaule nicht. Dies ist von vornherein zu erwarten; ich habe es indes gelegentlich der hier
beschriebeneri Versuche auch experimentell festgestellt.
In der Formel des Kathodenfalles, der auf das negative
Glimmlicht entfallenden Spannungsdifferenz,
K
= Kn
k
+7
(i - x .p .f)” ,
P-f
sind k und f Funktionen der magnetischen Feldstiirke.
Ein transversales Magnetfeld verkleinert R und f ; fur
kleine Feldstarken Uberwiegt die erste, fiir groBere die zweite
W irkung.
Ein longitudinales Magnetfeld andert den Kathodenfall
nicht; beraubt indessen die Nahe der Glaswand cinen Teil
der Kathode des negativen Glimmlichtes, so vergro6ert das
Magnetfeld f und verkleinert so K.
G o t t i n g e n , MLrz 1903.
1) E. W i e d e m s n n n. c f . C. S c h m i d t , Wied. Ann. 66. p. 337.
H. S c h w i e n h o r s t , Dies. Gottingen 1903.
1898;
(Eingegangen 9. April 1903.)
4*
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