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Eine neue Sondenmethode zur Untersuchung der Vorgnge in Gasentladungen.

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J . Johannesson. Eine yzeue Xondenmethode usw.
953
E6ne neue Sondenmethode xur Untersuckung
d e r V o r g a n g e dn G a s e n t l a d u n y e n
Fon J i i r g Johannesson
(Mit 7 Figuren)
Einleitung
G'ewbhnliche Allethode. Die gew6hnliche Methode zur Bestimmung des Potentials an iigentleiner Stelle in einer G e i s s l e r schen Entladungsrohre besteht darin, daD man das Potential
eines Drahtes elektrometrisch mi&. dessen aus einer isolierenden Glasrohre herausragende Spitze man an die betreffende
Stelle der Entladung gebracht hat. Oegen diese Methode
wurden folgende Einngnde erhoben: 1. mird die Entladung
durch das Einfiihren der Sonde verandert und 2. lzdt sich die
Sonde von allein prinzipiell auf ein anderes Potential auf als
dem umgebenden Raume entspricht. Der zweiten Behauptung
liegt die Annahme zugrunde, daB die Elektronen auWer ihrer
Re\\ egung von der Kathocle zur Anode noch eine ungeorclnete
Bewegung ausfiihren und sich dabei mit den positiven Ionen
im Temperaturgleichgewicht befinden, so da13 bei anniihernd
gleicher Verteilungsdichte ihrer grii6eren Geschwindigkeit halber
mehr Elektronen als positive Ionen a uf Rohrwiinde urid Sonde
treffen und diese daher zTvar positiv gegen die Kathode? aber
negativ gegen ihre Umgebung aufladen. I) Die Storung der
Entlatlung nun durch Einfiihren der Sonde riihrt einerseits
von ehen dieser Falschauf1;dung her und beruht andererseits
auf eirier Schattenbildung2) in bezug auf die gerichtete BeH egung der Ladungstrager.
Peldsonden: Frei von diesen heiden Xbigeln ist eine Nethode zur Bestimmung der Feldstzrke, die von der spektralen
Aufspaltung eines quer zur Rohrachse beobachteten Lichtstralils infolge des Starkeffektes Gehrauch inacht 3), und n-enigstens die Falschaufladung M ird vermieden durch eine andere
Methode, die die Bblenkung eines quer zur Rohrachse gerichteten Kathodenstrahlbiindels b e n ~ t z t .j~) ) Beide Methoden
1) I. L a n g m u i r , Ztschr. f. Phys. 46. S. 271. 1927.
2 ) A. W e h n e l t , W e d . Ann. 67. S. 121. 1899.
3) E. B r o s e , Ann. d. Phys. 56. S 507. 1918.
4) F.W. A s t o n , Proc. Roy. SOC.84. S. 526. 1911.
5) A. W e h n e l t u. A. J a c h a n , Ztschr. f. l'hys. 31. S. 666. 1925.
Bnnnlen der Physik. 5 . Folge. 13.
62
954
A n n a b n der Physik. 5. Folge. Band 13. 1932
konnen aber prinzipiell nur Mittelwerte durch den Rohrquerschnitt ergeben und lassen sich iiberhaupt nur bei sehr groBen
Feldstarken messend durchfuhren: sie sind also in erater Linie
fu r den dunklen Kathodenraum geeignet.
Langmuirsclze Methode: Eine Reihe von Sondenmethoden
zur Bestimmung des Potentials, bei denen die Falschaufladung
der Sonde vermieden wird, hat L a n g m u i r angegeben. l,l Die
gebrauchlichste besteht in einer Messung der Sondencharakteristik. Auch diese Methode fuhrte in den meisten Gasen bisher
nicht zu vollig befriedigenden Ergebnissen.
Neue Methode: I n der vorliegenden Arbeit wurde eine
neue Sondenmethode zur gleichzeitigen direkten Bestimmung
des Potentials und der Feldstarke mit der Langrnuirschen
Methode verglichen. Die Methode berulit darauf, daB ein
halbkreisfcjrmig gebogener Draht, dessen Dicke nach Noglichkeit klein gegen die mittlere freie Weglange der Gasmolekiile
sein soll, seitlich an einem Torsionsfaden hangend, derltrt in
eine zylindrische EntladungsrGhre eingebracht wird, daB er ganz
innerhalb einer Aquipotentialflache liegt; ladt man den Draht
so macht das System eine
auf verschiedene Potentiale ,!!a
Drehung, die proportional der Anderung der angelegten Spannung und proportional der Feldstarke an der betreffenden
Stelle der Entladung ist und durch Spiegelablesung gemessen
werden kana. Da auf den Aufhangefaden, der als elektrische
Zuleitung dient und der allerdings durch Stellen verschiedener
Feldstarken hindnrchgeht, direkt kein Drehmoment ausgeiibt
wird, so ist hiermit eine Feldkraftsonde gegeben, die keine
Mittelwerte liefert. Der Fehler, der in die Messung hineinkommt durch die Storung der Entladung infolge falscher Aufladung der Sonde, wird nur dann sehr klein, wenn man das
Potential der Sonde nur in der unmittelbaren Umgebung des
richtigen Potentials variiert. Es ist daher notwendig, die Sonde
gleichzeitig zur Bestimmung des richtigen Potentials zu benutzen, d. h. desjenigen Potentials, das an der betreffenden
Stelle herrschen wurde, wenn die Sonde gar nicht Forhanden
ware. Wenn sich auch die Vermutung, daB die Sonde beim
richtigen Potential torsionsfrei hiingt, nicht bestatigt hat, so
wird unten bei der Diskussion der MeBkurven doch gezeigt
werden, wie sich aus den Sondenstellungen das wahre Potential
ermitteln la&.
1) I. L a n g m u i r , Ztschr. f. Phys. 46. S. 271. 1927; Gen. Elec.
Revue 1923. S. 731; 1924. S. 449; Journ. of Frank]. Inst. 1923. S. 751.
J . Johannesson. E i w neue Xondenmdhode usw.
955
Apparatur
Elektrometer. Zuni Messen der Sondenspannung wurde
ein Klektrometer folgender Konstruktion verwendet. Eine
Aluminiumnadel a (Fig. 1) war an einem Phosphorbronzefaden
einem festen Messingfliigel b (in Auf- und GrundriW gezeichnet)
gegeniiber aufgehiingt und an beide wurde die zu messende
Spannung gelegt, wlihrend das Gehause G geerdet war. Der
Messingfliigel wurde von eineni dicken Messingdraht getragen,
1
Fig. 1. Elektrometer
der neben dem Aufhangefaden innerbalb eines senkrecht auf
das Gehause aufgeloteten Messingrohres in die Hohe fiihrte
und in einer Bernsteinisolation zusammen mit dem gufhangefaden festgeniacht war.
Zur Dampfung diente eine Aluminiumscheibe, die mit der
Nadel starr verbunden war und unterhalb derselben zwischen
den Polen zweier Hufeisenmagnete schwebte. Die Skala war
in Winkelgrade geteilt und bestand aus Neusilber, in dem
sich die Nadel spiegelte, so daB eine genaue Ablesung auf
Zehntelgrad moglich war; ein Grad betrug 10-20 Volt. Der
fast geradlinige Verlauf der Eichkurve (Fig. 2) erklart sich wohl
aus der speziellen Form des Gehauses.
62 *
956
Annalen der Plays&. 5. Folge. Band 13. 1932
Durch Einhkngen der Nadel in einen geeichten Torsionskopf ist die JIoglichkeit gegeben, den MeBbereich des Instruments
zu eraeitern, indem man bei 1000 Volt die Nadel auf den Nullpunkt zuriickdreht und tlann mit verdecktem Nullpunkt weiterarbeitet. Wegen
6%
der spiiter eintretenden elastischen Nachwirkung des Phosphorbronzefadens ist
allerdings
wohl nur eine Verdoppelung
@GL
des MeWbereichs zu erreichen.
Entladungsrohr: Das waagerecht gelagerte Entladungsrohr (Fig. 3) bestand
2OOb
aus einem 60 cni langen zylindrischen
Hauptrohr von 45 inm lichter Weite, das
000
zoo 490
an den beiden Enden durch diinnere
Ansatzrohre verliingert war. Die kreisFig’
2* Eichkurve
fiirmigen Sluminiumelektroden fiillten den
des Elektrometers
ganzen Rohrqnerschnitt aus und waren
durch einen Glasstab in eineni gegenseitigen Abstand vo n
25 cm fest miteinander verbunden und konnten elektr omagnetisch verschoben Iverden. Die Punipleitung fuhrte iib er
h’f; /
Fig. 3. Entladungsrohre
eine dusfriertasche zum Mac Leocl und zur Quecksilberdampfstrahlpumpe. Ein an das Entladungsrohr angeschlossenes
Ballastvakuumgef&l3 sollte die Selbstevakuierung durch Kathodenzerstiiubung herabmiudern.
Aujhungung der Sonde: An das Hauptrohr m-aren in der
Mitte, oben und unten vertikale Seitenrohre angeblasen, vo n
denen das untere 20 miii und das obere 8 mm lichte Weite
hatten. Die beiden Seitenrolire endigten in Schliffen, dere 11
unterer durch einen Glasstopfen verschlossen wurde, wahren d
auf den obereii eine Aufhiingevorrichtung fiir die Sonde aufgesetzt war. Diese bewirkte eine unveranderliche Hohenlage
der Sonde im Rohr.
Sonde: Die Sonde selbst war folgendermaBen beschaffen
(Fig. 4). An den Messingdraht A B war ein 1/50 min dicker
J . Johannesson. Eine neue Sondenmethode usw.
957
untl etwa 5 cm langer Phosphorbronzedraht BG angeliitet. A n
diesen war 1. ein Xaiiganindraht r von
m n Stiirke angeliitet und 2. ein Quarzfaden C'F von einigen Huiidertstelii
&illinieter Starke mit Schellack angekittet. Der
A
Xanganindraht mar auf dem Stiick D E halbkreisf6rmig gebogen, und z n ar betrug der Durchmesser bei der unten niitgeteilten NeBreihe 30 rnm.
2
"
Der Halbkreis legte sich in E an den Quarzfaden
fetlernd an, so daB anch Sonden niit gr6Berem
G
Durchmesser als 40 111111 durch das untere Seiten5
rohr in das Hauntrohr eincefiihrt werclen konizten.
An den Quarzf&leii war & dicker Glasfaden FG
angekittet, iler den Spiegel s und zur IIUmpfung
f-/
den 0.4 g schweren Aluniiniumzylinder x trug ;
I
dieser n ar aus eineni dluniiniumblech zusammen:s
gebogen, clesseu Kanten federnd aneinanderG,
lagen. Das Seitenrohr n w d e an der Htelle,
Z
an der x hing, von den halbkreisformigen
Polen eines permanenten Hufeisenrnagneten urnFig. 4.
Sonde
schlossen, was eine so starke Danipfung zur Folge
hatte, daB sich die Sonde aperiodisch einstellte.
Ein EintluB des Xagneten auf die Entladung konnte dabei nicht
hemerkt werden. Die Sonde nurde so hoch eingeklemmt, daB
der Mittelpunkt des Halbkreises in die Rohrachse fiel, uncl die
Sondenebene wurde senkrecht zur Rohrachse gedreht,
indem das Spiegelbild des
Sugenmittelpunktes an der
Oberflache des Glasrohres
rnit Halbkreis und Sehne
zur Deckung gebracht muide. M
Xchaltung: 41s Spannungsquelle diente im allgemeinen eine Hochspan;ungsmaschiae, bei den i n t e n
Fig. 5. Schaltung
mitgeteilten Messungen eine
Akkumulatorenbatterie. W , und W , (Fig. 5) sind Fliissigkeitswiderstande. Rolirenstrom und -spannung wurden mit dein
Milliamperenieter 171 uncl dem Brownschen Elektronieter B
gemessen. E ist das obenheschriebene Elektrometer. G: ist ein
Spiegelgalvanometer von Siemens & Halske, das durch den
Kontakt a kurzgeschlossen werden konnte und iiiit einem
A y r t on schen KebenschluB versehen war. Das Potentiometer
konnte von der Sonde durch b ganl: a1)geschaltet werden. Zum
I
fkT
~~
-flB
958
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 13. 1932
elektrostatischen Schutz der Sonde war die Rohre einschlieBlich des Zufiihrungsdrahtes der Sonde von einem geerdeten
Messingdrahtnetz umgeben, dessen Maschen gerade noch so
weit waren, da8 man die Entladung gut beobachten konnte.
Nullpunkt: Die wichtigste Vorbedingung fur eine Messung
war die Xeproduzierbarkeit des Nullpunktes der Sonde, deren
Nachprufung dadurch sehr erschwert wurde, daB nach Abschalten der Entladung a>ufden Rohrwanden und den isolierten
Teilen der Sonde Restladungen blieben, die sehr betriichtliche
Verlagerungen der Sonde hervorriefen und erst im Verlaufe
von etwa 24 Stunden allmahlich verschwanden. Das Fortgehen
der Restladungen konnte durch Bestrahlen mit Rontgenstrahlen
beschleunigt werden. Wenn auch merkwurdigerweise die T i r kung keine momentane war, so kehrte doch die Sonde bei
einer Bestrahlung von 5-10 Min. nach etwa 2 Std. im allgemeinen auf den alten Nullpunkt zuriick und zwar auf
Skt. genau. Der Nullpunkt blieb oft tagelang unverandert.
Vor allem wurde auch gepruft, daB das Verschieben der Elektroden keine Nullpunktsveranderung zur Folge hatte. Da allerdings am Tage die Erschutterungen des Gebaudes so groB
waren, da6 die Ablesung nur ungenau, manchmal sogar ganz
unmoglich war, so wurden die Messungen nachts ausgefuhrt.
Die Messung
Bersuchsbedingurzgen: Die Messungen wurden in Luft ausgefiihrt. Im negativen Glimmlicht, im Farada y s c h e n Dunkelraum und in der geschichteten und ungeschichteten Saule wurde
das Potential an ein und derselben Sonde gleichzeitig nach
der gewohnlichen, der Langmuirschen und der neuen Methode
gemessen. Der Fehler, der in die gewohnliche Methode dadurch hineinkam, daB die Sonde aus ihrer eigentlichen Stellung
etwas herausgedreht war, betrug bei einem Skalenabstand von
160 cm, einem Skalenausschlag von ungefahr 2 cm und einem
Potentialgefalle von hijchstens 30 Volt pro Zentimeter rund
0,3 Volt und konnte daher vernachlassigt werden. Sondenausschlag und Sondenstromstarke wurden gleichzeitig abgelesen
in Abhangigkeit von der Spannung; und zwar wurde diese von
der Spannung der gewohnlichen Methode an aufwarts variiert.
Der Sondenausschlag wurde bei einer Drehung nach der dnode
bin als positiv bezeichnet. Die Entladung ging bei der Hauptmessung (Fig. Ba, b) bei 4 mA, 580 Volt und einem Druck von
0,28 mm Hg vor sich. I n Fig. 6 c sind Messungen in der ungeschichteten positiven Siiule auch bei 4 mA, aber bei hoheren
Drucken wiedergegeben.
J . Johannesson. Eine neue Sondenmethode usw.
959
Die Kurcen: I n Fig. 6 sind die Sondenausschlage in
Zehntel Millimetern Skalenteile und die Logarithmen der Galvanometerausschlage als Ordinate, die Sondenspannungen gegen
4
-
4$9u
Fig. 6 a. Ordinaten A : Sondenausschlage. Ordinaten B : log. Stromstiirke
die Kathode als Bbszisse eingetragen. Der senkrechte Doppelpfeil gibt das Potential der gewohnlichen Methocle an. Xi' bedeutet den Abstand der Sonde von der Kathode. Rechts
unten ist jedesnial die Stellung der Sonde zu den Entladungsteilen angedeutet, wobei die Kathode links ist. Zur Inter-
960
Anncalen der Physik. 5. Folge. Band 13. 1932
pretation der Kurven wird die Annahme gemacht, daS die
Ablenkung der Sonde auger durch die elektrische Feldkraft
auch noch durch einen Strom negativer Ionen hervorgerufen
Fig. 6 b. Ordinaten A : Sondenaueschltige. Ordinaten B : log Strometlirke
wird. Die Mtiglichkeit anderer Erklarungen fiir den Verlauf
der Kurven wird weiter unten bei der Besprechung der Me&
resultate diskutiert werden.
Diskussion der Kurven: Die Formen K = 19, 17, 13,5
(Fig. 6 a, b) erkliiren sich folgeadermaben: bei stark negativer
J . Johannesson. Eine neue Sondenwieihode
961
USZL'.
Aufladung der Sonde g:gen die Umgehung treffen keine negativen Ionen auf sie; sie iinterliegt also nur der Ablenknng
durch clas elektrische Feld nach der Anode hin. Rei hiiheren
Potentialen wird diese Ablenknng vermindert; gleichzeitig Terkleinert sich aber auch die positire Ranmladung, die die Sonde
u m d ~ ,t .nnd es werden bereits schnelle Ionen die Sonde erreicheii und wieder eine Tergriiflernng des Ausschlages m
nach der Anode bewirken. Sobald daher der negatire Ionen- A 0
?\+
strom groI3 genug geworden ist,
vird de1- Sondenausschlag hei -160
weiterer Erhiihung der Span,//
nung nicht melir kleiner werden,
sondern wieder machsen. Nit B
dem Aufhiiren der positiven
Raumlatlung erreicht & - I o n e n strom eine Sattigung und damit der Sondenausschlag ein
relatives Maximum. Bei aeiteL '+
rer Erhohung des Sonden21potentials kann daher die nun
eintretende Verkleinernng cles
Sondenausschlages nur noch
Ivon der elektrostatischen Kraftwirkung herriihren, was nach
Fig. 6c. Messung in der
einem scharfen Maximum einen
iingeschichteten positiven Saule.
plotzlichen linearen Sbfall des Kurve 1: 0,62 mm Hg und K = 22
,. 2:0,(i9 ,) ,, ,) , , = 2 2
Ausschlages mit der Spannnng
,, 3:0,67 ,, ,, ,, , , = 2 2
zur Folge hat, wobei dieser
,, 4:0,73 ,,
,,=20
hbfall uronortional der Feldstiirke &t ;nd das Maximum a n t e r Stelle des wahren Potentials liegt. Die hier angestellte Uberlegung iiber die Wirkung
der negativen Ionen ist offeabar genau die gleiche, wie die
La n g m u i r sche uber den Elektronenstroni.
Fiir K = 22, 14,3, 20 (Fig. 6a) nnd Kurl-e 3 (Fig. 6c)
gilt dieselbe Betrachtung; nur ist das Masirnuin meniger scharf
und der Sbfall der Sondenausschlags nicht ganz linear, wodnrch die Feldbestimmung etmas ungenau wird. Dieser Unistand diirfte auf das Entgegenstromen positiyer Ionen zuriickzufiihren sein, die voni wahren Potential ah infolge der sich
bildenden negativen Raumladungsschicht allmahlich aufhoren,
die Sonde zu treffen.
Bei II = 18, 21, 16, 13 iiberwiegt die husschlagsvergrofleLI
.
'3
*
),
,%
962
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 13. 1932
rung durch die negativen Ionen niemals die Ausschlagsverkleinerung durch das Feld, weswegen beim wahren Potential kein relatives Maximum, sondern nur ein Knick in der
Kurve auftritt. Ebenfalls ist das Minimum bei K = 21 durch
eine knickformige Ausbuchtung nach unten ersetzt , wahrend
es bei K = i8, 16, 13 ganz verschwunden ist.
Hei Ii = 1 3 iiben positive und negative Ionen eine gleich
starke Xraftwirkung aus; denn das wahre Potential liegt gerade bei der Nullstellung der Sonde.
Bei K = 12 ist der Ausschlag beim wahren Potential
negativ, d. h. hier iiberwiegen die positiven Ionen.
Die iibrigenKurren imFaradayschenDunkelraum,im negativen Glimmlicht (Fig. Ba, b) und in der uageschichteten positiven
Saule (Fig. 6c), sind nach ilem Schema K = 18 zu verstehen.
Verteilung der Ionen: Hiernach ergibt sich folgendes
Bild uber die Verteilung der Ionen in der geschichteteu
positiven Saule. Es sind uberall negative Ionen vorhanden.
Ihre Stromung ist am starksten in der zweiten Halfte des
Schichtkopfes und dem ersten Drittel des Schichtendes
(K = 19, 17, 13, 5), wo der Kurvencharakter am ausgepragtesten
ist. I n der Mitte des Schichtendes machen sich bereits positive Ionen bemerkbar (K = 22, 14,3, 20). I m letzten Drittel
des Schichtendes und im Beginn des Schichtkopfes ( K = 18,
21, 16, 13), also dem Gebiet, wo wahrscheinlich die Ionisation
stattfindet und daher die Ionen noch keine groBe Geschwindigkeit erlangt haben konnen, ist die negative Stromung am
schwgchsten, wenngleich immer noch s t L k e r als die positive.
Vergleich der Sondenmethoden: Die neue Methode liefert
um 5-25 Volt hiihere Werte als die gewohnliche Methode.
Diese Abweichung iliirfte allerdings in Wahrheit etwas geringer sein, weil bei der gewohnlichen Methode nur ein Mittelwert zwischen eigentlicher Sonde und Zuleitung, die ja durch
Stellen verschiedenen Potentials hindurchgeht, gemessen Tf-urde.
Die Abweichungen der L a n g m u i r s c h e n und der neuen
Methode sind im allgemeinen kleiner als 3 Volt und liegen
daher innerhalb der MeBfehler. Denn das Elektrometer
zeigte nur auf 1-2 Volt genau, wodurch die Kurven in Fig.6
etwa mit der bezeichneten Ungenauigkeit behafteb wurden.
Ob vereinzelte starkere Abweichungen bis zu 10 Volt reel1
sind, mag dahingestellt bleiben.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daB im ganzen der Verlauf der
Potentialkurve nach der gewiihnlichen Methode einerseits und
nach der L a n g m u i r s c h e n und der neuen Methode andererseits ziemlich der gleiche ist.
J. Johannesson. Eine neue Hondenmethode usw.
Kurve 1 : d t e Methode
,, .?: L a n g m u i r s c h e Methode
,, 2 , 4, 5 : neue Methode
,, 4 : Feldstarke
,, 5 : neg. Ionenstrom
Fig. 7.
___
~
K
~~
~
Tabelle 1
-
-
Langmuirsche
Methode
in Volt
Neue
Methode
in Volt
Feldstarke l)
503
191
525
511
522,5
509
0,M
0,55
461
483
479
451
43Y
433
Gew.
Methode
in Volt
476
481,5
460
457
-
14,3
13,5
13
12
407
3
Kegativer
Ionenstrom ')
~~
22
21
20
19
18
17
16
11
'3
7
5
963
433
425
418
413
40 1
401
401
401
401
408
478
452,5
446
434,s
42s
421
413
405
411
__
417
424,5
1) I n willkurlichen Einheiten.
12s
421
412,5
405,5
409
414
411,5
424
1,76
0.62
1,40
0,44
0,62
0,60
0,27
0,82
1,so
-
- 0,42
- 0,50
-0,32
- 0,08
144
85
113
200
62
142
98
84
111
3
- 39
S
76
218
512
1236
964
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 13. 1932
Bei den Katliodenabstanden der Sonde I< = 19 und K = 7
liefert die L a n g m u i r s c h e Methode gar keine Werte, wahrend
sio in der ungeschichteten positiven Saule (Fig. Sc) zu recht
brauchbaren Kurven fuhrt. I n der ungeschichteten positiven
Saule diirfte die Oenauigkeit der Langmuirschen und der
neuen Methode die gleiche sein, wahrend in der geschichteten
positiT-en Saule die neiie Methode die Annehmlichkeit hat,
da8 man an manchen Stellen nicht eine ganze Kurve, sondern
nur das relative Maximum des Sondenausschlags zu bestimmen
braucht.
Ergebnisse
Die Verteilumgskurven: In Fig. 7 und der Tab. 1 ist die
Potentialverteilung nach den drei Methoden und der Verlauf
der Feldstsrke nach der neuen Methode aufgetragen. In Ubereinstimmung mit Messungen von S k i n n e r ' ) und M a c C u r d y ?
ergeben sich im negativen Glimmliclit und im F a r a d a y s c h e n
Duukelraum negative Feldstirken.
S n der Stelle K = 16 stimmen die Potentialkurve und
die Feldstsrkenkurve nicht zusamrnen, nnd zwar ist offenbar
die Potentialverteilung an dieser Stelle nicht richtig gemessen.
Das riihrt daher, daM einnial zu wenig MeRpunkte in der
Umgebung yon I< = 16 aufgenommen wurden und vor allem
keine besondere Sorgfalt auf die Xonstanthaltung des Drucks
wahrend der Messung verwendet wurde. Bei der vorliegenden
Untersuchung war namlich das Hauptaugenmerk weniger auf
die absolute Restimmung der Verteilungskurven, als auf den
Vergleich der einzelnen Sondenmethoden untereinander gelegt.
I n der Ioneiistriimuiigskurve 5 (Fig. 7) sind als Ordinate
die Ausschlage eingezeichnet, die die Sonde beim waliren
Potential macht und die also rein gaskinetischen Ursprungs
sind. Diese Kurve gibt gerade das Bild wieder, das wir uns
bereits oben iiber die Verteilung der negativen Ionenstramung
auf Grund der Form der Kurven in Fig. 6 gemacht hatten,
so daR also die Icurve 5 als eiiie Besfitigung fur die Richtigkeit der obigen Uberlegungen anzusehen ist.
Verschiedene Erkk~rungsmoglichkeiten:Es sollen jetzt verschiedene Miiglichkeiten zur Erklarung der Ionenstrthiungskurve 5 (Fig. 7) und der Kurven in Fig. 6 erwogen werden.
Es war oben zwar die Esistenz negativer Ionen vorausgesetzt
xorden, aber nur die von negativen Ladungstragern benutzt
______
1) C . A. S k i n n e r , Phil. Mag. 50. S. 863. 1900.
2) K. I. C o m p t o n , L. A. T u r n e r u. M a c C u r d y , Phys. Rev.
24. S. 507. 1924; W. H. Mac C u r d y , Phil. Mag. 48. S. 898. 1924.
J . Johannesson. Eine neue Sondenmethode usw.
965
worden. Es ist daher zu untersuchen: a) wie weit Elektronen
f iir die Erscheinungen verantwortlich gemacht merden kbnnen,
und b) oh clas neutrale Gas einen EinfluB hat oder nicht.
a) 1. Ein direkter Elektronenwincl wurde nur einen uni
etwa zwei Zehnerpotenzen lileineren Eft'ekt hervorrufen. Das
ergibt sich jedenfalls, wenn man annimnit, clai3
Sondenlangsschnitt
Rohryuerschnitt
Zahl
~ _
. _Stromstarke,
_ Faradaysche
_ _ _Loschmidtsche
Konstante
~~~
=_
~~~~
der Anzahl der pro Sekunde auf die Sonde wirkenden Elektronen ist.
2. Durch das Auftreffen der Elektronen wird die Vorderseite der Sonde erwiirnit, was einen RadiometerefYekt zur Folge
habeii kbnnte. Aber einnial wiirde bei der Kleinheit der
Sonde diese Tl'irkung wohl auch nicht vie1 griiBer sein als die
direkte StoWwirkung, und d a m wird das huftreten des Radioinetereffeekts uberhaupt sehr unwahrscheinlich gemacht dadurch,
dal3 eine in die Xiihe der Sonde gehaltene Gluhlampe keiiien
EinfluW auf die Sondenstellung hatte.
Erkennt inan diese beiden Betrachtungen a n und nimint
noch die Tatsache hinzu, datl ein direkter Elektronenwind
bisher init Sicherheit noch nicht nachgeaiesen worden ist, so
kann nian wohl nicht nmhin. zur Erkliirung der Kurven in
Fig. 6 negative Ionen anzunehmen. Es fragt sich, wieweit
noch nuBerdein eine M-irkung des Gases Yorliegt.
11) 3. Wenn ein in1 Rohr vorhandenes Druckgefdle auf
die Sonde eine Art Auftrieb ausiiben sollte. SO miiWte es an
den Enden des Rohres e t n a 15 Proz. des Gesamtdrucks betragen , um einen Sondenausschlag von 1 mm hervorzurufen,
was bei den Torliegenclen Tersuchsbedingungen sicher nicht in
Frage komiiit.
4. Eine Radiometerwirkung ist schon in 2. abgelehnt.
Tndessen ist die TTarmev irkung in unniittelharer Xihe der
Kathode so groW, clatl dort Schellack zum Schmelzen koinmt.
Es ist daher denkhar, daB der groDe Ausschlag irn Gliminliclit
Zuni Teil doch auf Radiometerwirkung zuriickzufuhren ist.
5. Ebenfalls TI ird im negatiren Glimnilicht die Kathoclenzerstaubung eine ablenliende Virkung auf die Sonde haben.
Die Stromungskurve: Die Striiinungswirknng ist denmach
i n der positiven S i d e auf negative Ionen zuriickzufiihren.
und zwar beruht sie damuf, daR die Geschwindigkeit der hinstriimenden negativen Ionen griiBer ist als die der ruckstrijinendeii neutralen Stome. Diese Suffassung steht in1
966
-4nnalen der Physik. 5. Folge. Band 13. 1932
Einklang mit H a m b u r g e r s Ueutung des Druckeffektsl), der
allerdings a n Edelgasen beobachtet worden ist, wonach durch
$.en Massentransport von negativen Ionen zur Anode dort ein
Uberdruck entsteht. Da die vorliegetlden Messungen in Luft
ausgefiihrt wurden, so braucht man in diesem E’alle gegen die
dnnahme negativer Ionen kein Bedenken zu haben. Es sollen
noch weitere Untersuchungen iiber die neue Sondenmethode
a n Edelgasen ausgefiihrt werden.
Zusammenfassung
1. Es wird eine neue einwandfreie Sondenmethode zur
gleichzeitigen direkten Bestilnmung des Potentials und der
Feldstarke in der Gasentladnng beschrieben.
2. Es wird ein Elektrometer mit Zeigeritblesung und einer
Empfindlichkeit von 1-2 Volt bei einem MeBbereich von
etwa 1000 Volt beschrieben.
3. Beim Vergleich der Sondenmethoden ergibt sich, da8
die neue und die L a n g m u i r s c h e Methode iibereinstimmende
Resultate liefern, die uberall etwas holier liegen als die gewohnliche Methode angibt ; der Verlauf der Potentialkurve
langs der ganzen Rohre w i d auch durch die gewohnliche
Methode im wesentlichen richtig wiedergegeben; nur verlauft
sie im ganzen etwas zu niedrig.
4. E s wird mit der neuen Sondenmethode eine Stromung
im Gase Ton der Kathode zur Anode nachgewiesen, die in
der geschichteten positiven Saule im entgegengesetzten Rhythmus wie die E’eldstarke schwankt, und die sich als Wirkung
negativer Ionen verstehen laBt.
Die vorliegende Arbeit wurde am Physikalischen Institut
der Universitat Berlin auf Snregung und unter der Leitung
von Hrn. Prof. Dr. A. W e h n e l t ausgefiihrt. Bur sein fiirderndes
Interesse und seine wertvollen Ratschlage, mit denen er mich
wiihrend meiner Arbeit freundlichst unterstutzt hat, drucke
ich Hm. Prof. W e h n e l t meinen ergebenen Dank aus. Auch
Hrn. cand. phil. K u h n danke ich fur die perspektirische Zeichnung des Elektrometers.
_____
1) L. H a m b u r g e r , Diss. Delft, 1917; F. S k a u p y , Verhandlungen
Dt. phys. Ges. 19. S. 264. 1917; J. L a n g m u i r , Journ. of Frank. Inst,
S.151. 1923.
(Eingcgangen 28. Februar 1932)
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