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Betriebsgerät für Franck-Hertz-Versuche Logo des Labors für Physik und Didaktik Atomphysik

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Dieses Gerät liefert alle zur Durchführung von Franck-Hertz-Versuchen erforderlichen Spannungen und enthält einen hochempfindlichen Gleichstromverstärker zur Messung des Auffängerstromes.

Es kann sowohl zur Durchführung des Franck-Hertz-Versuches mit Quecksilber als auch für die Franck-Hertz-Röhre mit Neonfüllung verwendet werden.

Verwendet man dieses Betriebsgerät, so wird der Versuchsaufbau denkbar einfach. Es sind nur vier bzw. fünf Verbindungen zur Franck-Hertz-Röhre herzustellen und die Messgeräte anzuschließen. 		    Betriebsgerät für Franck-Hertz-Versuche
Abb. 1: Betriebsgerät für Franck-Hertz-Versuche

Der Spannungsteil liefert:

1.  Die Beschleunigungsspannung Ub = Gleichspannung von 0 bis 70 V stetig einstellbar (Schalter "Ub" in Stellung - )
2.  Die Heizspannung für die Röhre UH = Wechselspannung bis 8 V. Der Heizstrom ist einstellbar von 270 mA bis 350 mA.
3.  Die Gegenspannung UG = Gleichspannung einstellbar zwischen 1,2 und 10 V.
4.  Eine Steuerspannung Ust = 9 V zum Betrieb der Neon-Franck-Hertz-Röhre.

Außerdem zum Aufzeichnen der Franck-Hertz-Kurve mit einem Oszilloskop:

5.  Eine sägezahnförmige Beschleunigungsspannung Ub = Amplitudenhöhe einstellbar von 0 bis 70 Vss (Schalter "Ub" in Stellung Sägezahnsymbol ).
6.  Spannung für X-Ablenkung am Oszilloskop = Halbwellenspannung durch Einweggleichrichtung (Ub/10).

1. Gleichstromverstärker

Der Gleichstromverstärker besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Operationsverstärkern (ICs), von denen der erste als Elektrometerverstärker geschaltet ist. Der Messstrom wird am nichtinvertierenden Eingang zugeführt. Der Eingangswiderstand ist 680 kOhm. Die Verstärkung kann an einem veränderlichen Gegenkopplungswiderstand eingestellt werden. In dem nachgeschalteten O V wird das Signal weiter verstärkt und invertiert.

Die Anzeigespannung ist proportional zum Messstrom. 1 V Anzeigespannung entspricht bei kleinster Empfindlichkeit (Drehknopf ganz links) einem Messstrom von 0,7 µA und bei größter Empfindlichkeit einem Messstrom von 7 nA.

Als Anzeigeinstrument kann jeder Spannungsmesser bis 10 V verwendet werden. Eine Anpassung des Instruments ist nicht erforderlich. Die Anzeigespannung ist bis 1 mA belastbar und kurzschlussfest.

2. Versuch (Franck-Hertz-Versuch Quecksilber)

2.1 Versuchsaufbau mit Anzeigeinstumenten

Die Verbindungen sind nach Abb. 2 herzustellen. Dabei liegen die Spannungen

     Ub an den Buchsen K (-) und A (+)
     UH an den Buchsen K und "Heizung"
     UG an der Buchse A (+) und an Masse (-)

Für die Verbindung Auffängerelektrode - Verstärkereingang ist eine abgeschirmte Leitung zu verwenden. Das Anzeigeinstrument (1 V Vollausschlag) wird an den Buchsen rechts oben angeschlossen (rote Buchse +). Der Spannungsmesser für die Beschleunigungsspannung (30 V- bzw. 100 V-) liegt an den Buchsen K und A.


Versuchsaufbau mit Anzeigeinstumenten
Abb. 2		     2.2 Durchführung des Franck-Hertz-Versuchs

1.  Heizofen auf die gewünschte Temperatur (z.B. 170°C) einstellen.
2.  Betriebsgerät einschalten.
3.  Schalter Ub auf "-"
4.  Regler Ub auf 0 Volt.
5.  Drehknopf "Heizung" etwa in die Mitte stellen.
6.  Größte Empfindlichkeit am Drehknopf "Verstärkung" einstellen (ganz nach rechts).
7.  Gegenspannung auf Minimum einstellen (ganz nach links).

Die Beschleunigungsspannung wird dann langsam erhöht und die Verstärkung so weit zurückgedreht, dass die Anzeigespannung im Messbereich des Anzeigeinstruments liegt. Der angezeigte Auffängerstrom weist in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung äquidistante Minima auf. Die Kurvenform kann evtl. durch änderung der Katodentemperatur (am Drehknopf "Heizung") verbessert werden.



2.3 Aufzeichnen der Franck-Hertz-Kurve mit einem Oszilloskop

Aufbau:

1.  Oszillograf nach Abb. 3 anschließen. (X-Ablenkung = extern, Y-Ablenkung = 1V/cm).
2.  Schalter Ub auf Sägezahnsymbol
3.  Sägezahnspannung am Drehknopf Ub langsam erhöhen.

Auf dem Bildschirm erscheint die Franck-Hertz-Kurve (Abb.4)."Verstärkung" und Katoden-"Heizung" evtl. nachstellen. Die Beschleunigungsspannung ist so einzustellen, dass in der Röhre keine selbständige Entladung auftritt, denn durch Stoßionisation wird die Kurve gestört.

Versuchsaufbau mit Oszilloskop          Oszilloskopbild

↑ Abb. 4

← Abb. 3

2.4 Aufzeichnen der Franck-Hertz-Kurve mit einem Koordinatenschreiber

1.  Die Eingänge für x- und Y-Ablenkung des Schreibers werden wie beim Oszilloskop (Abb. 3) angeschlossen. (Empfindlichkeit x: 0,5V/cm, y: 1V/cm)
2.  Schalter Ub auf "-"
3.  Beschleunigungsspannung am Drehknopf Ub langsam und stetig bis knapp unter die Ionisationsgrenze erhöhen.

Der Schreiber registriert die Franck-Hertz-Kurve mit einem Maßstab der x-Achse von 1/10. Einer Beschleunigungsspannung von 10 V entspricht eine Spannung von 1 V am Ausgang UB/10.		     x-y-Schreiberkurve
Abb. 5: x-y-Schreiberkurve

3. Versuch (Franck-Hertz-Versuch mit Neon)

Außer den in Abb. 2 wiedergegebenen Verbindungen ist noch die Steuerelektrode der Neon-Franck-Hertz-Röhre mit der entsprechenden Buchse des Betriebsgerätes zu verbinden.

Die Gegenspannung wird am Betriebsgerät so eingestellt, dass sich eine optimale Strom-Spannungs-Kennlinie ergibt (6 ... 10 V).

Näheres unter: Versuche mit Neon

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