INSTITUT FÜR ANGEWANDTE PHYSIK Physikalisches Praktikum für Studierende der Ingenieurswissenschaften Universität Hamburg, Jungiusstraße 11

Transkript

1 INSTITUT FÜR ANGEWANDTE PHYSIK Physikalischs Paktikum fü Studind d Ingniuswissnschaftn Unisität Hambug, Jungiusstaß 11 aunsch Röh 1 Einlitung Di aunsch Röh wa o Einfühung on Plasmabildschimn in witbitts tchnischs Instumnt. Man fand si zum ispil als Röhnbildschim in Fnshn od in Oszilloskopn. Di zugundligndn physikalischn Pinzipin findn auch hut noch in d aktulln Foschung witbitt Anwndung (Tilchnbschlunig, Elktonnmikoskop). Di aunsch Röh möglicht s, dn zitlichn Vlauf sich schnll ändnd Spannungn und Stöm sichtba zu machn. Zil ds Vsuchs ist s, sich zunächst mit d Funktionswis d aunschn Röh taut zu machn. Anschlißnd wid di Auswikung on lktischn und magntischn Fldn auf dn Elktonnstahl d aunschn Röh untsucht. Schlißlich wid das Hystshaltn ins fomagntischn Matials mssn. Funktionswis d aunschn Röh Im Innn d Röh mittit in Glühkathod Elktonn, di duch passnd gwählt Spannungn U 1 bis U 4 an schidnn Elktodn bschlunigt und fokussit wdn (Sih Abb. 1). D Elktonnstahl schint als uchtflck auf dm bschichttn ildschim. Di Ablnkung ds Elktonnstahls folgt in x-richtung mit Hilf ds lktischn Flds zwi paalll angodnt Ablnkplattn Di Spannung an dn Ablnkplattn bstimmt das Ausmaß d Ablnkung. In y- Richtung lässt sich d Elktonnstahl mit dm magntischn Fld zwi außhalb d aunschn Röh angodnt Spuln ablnkn. Dabi wid üb dn Spulnstom das Magntfld und damit di Stäk dis Ablnkung aiit. Abbildung 1: Aufbau d aunschn Röh. U ist di Spannung am Ot P lati zu Kathod. U kann nicht an inm d Stift ds Socklkastns gmssn wdn

2 RAUNSCHE RÖHRE 3 Thoi 3.1 Homogns lktischs Fld tachtn wi in inzlns gladns Tilchn im homognn lktischn Fld E, wlchs duch zwi paalll gladn Mtallplattn im Abstand d zugt wid. Fü das E -Fld gibt sich E U =, (1) wobi U di Spannung zwischn dn Plattn ist. Auf in adung q d Mass m wikt im lktischn Fld di Coulomb-Kaft F d q E = m a =. () In d Vktodastllung wid dutlich, daß di adung q in schlunigung a in Richtung d Fldlinin ds E -Flds fäht. In d aunschn Röh wid di schlunigung duch das E -Fld zwimal gnutzt: Zu schlunigung in z-richtung und zu Ablnkung ds Stahls in x-richtung. 1. Nach ih Emission an d Glühkathod wdn di Elktonn in Richtung d positi gladnn Anodn bschlunigt. Das schlunigungsfld stckt sich üb di Hilfsanod und Anod hinaus bis zu dn Ablnkplattn, di aufgund ih hohn Spannung di hauptsächlich schlunigung bwikn. Einstzn d Glichung (1) in Glichung () lift fü dn tag d schlunigung ins Elktons d adung mit d Mass m a U m d =. (3) Di Elktonn fahn in konstant schlunigung wi in fallnd Stin. Knnt man dn Ot x 0 und di Gschwindigkit 0 zu Zit t = 0, kann man mit Hilf d bidn Glichungn ( t) = 0 + a t (4) und a x( t) = x0 + 0 t + t (5) Ot, bzw. dn ntspchndn Zitpunkt ds Elktons im Fld bchnn. Wid das Koodinatnsystm so glgt, dass d = z - z 0 und x 0 = 0 ist, und bfindn sich di Elktonn außdm zu Anfang in Ruh ( 0 = 0), dann gilt U m z = und t = d. (6) m U Kathod Di Gschwindigkit z aus Glichung (6) läßt sich auch aus in Engibtachtung gwinnn: Das Elkton gwinnt bim Duchlaufn in Potntialdiffnz U di kintisch Engi E kin = U = 1/ m. Dis ist di Gsamtngi ds Tilchns, falls s bim Eintitt in das Fld di Gschwindigkit 0 = 0 hat. - z E. Hat das Elkton bim Eintitt in das Ablnkungsfld di ahngschwindigkit = z icht, titt s in das homogn lktisch Fld ds Ablnkkondnsatos in. An jdm Punkt sin Flugbahn duch das Fld fäht s nun in schlunigung in Richtung d positi gladnn Ablnkplatt (x-richtung). Di ahnku im ich ds lktischn Flds wid duch in Paad U Anod

3 RAUNSCHE RÖHRE bl bschibn. Um das Fld zu duchqun, baucht s di Zit t = / z. In x-richtung hat s nach dis Zit di Gschwindigkit x = a t = E m (7) icht. Di Flugichtung hat sich dah um dn Winkl α mit tan( ) x α = = z m E (8) U x - gändt. Dückt man di Gschwindigkit duch di schlunigungsspannung U aus (E kin = 1/ m = U ) und das E -Fld ds Ablnkkondnsatos duch di Ablnkspannung U x, gibt sich U tan(α) = d U x. (9) Da d Winkl α kin bobachtba Göß ist, wid das Ablnkhaltn mit d x-koodinat bschibn. Dazu multiplizit man Glichung (9) mit d Schimntfnung S E (sih Abb. 1) und hält SE x = U x. (10) d U z Ablnkplattn E d x z 3. Homogns Magntfld tachtn wi jtzt das gladn Tilchn im homognn Magntfld. Ein adung q, di mit d Gschwindigkit duch in Magntfld mit d Flussdicht fligt, fäht di ontz-kaft F = q. (11) Dis wikt imm snkcht zu d wgungsichtung ds Tilchns, kann also kin Abit listn. Daaus folgt, daß dis Kaft dn tag d Gschwindigkit und damit di Engi ds Tilchns nicht ändn kann. Es fäht ab snkcht zu sin wgungsichtung in konstant schlunigung. Dis sind di Knnzichn in glichfömign Kisbwgung, dn Radialbschlunigung a sich dm tag nach aus dm ahnadius und d ahngschwindigkit gibt: a =. (1), so dass sich Glichung (11) - In unsm Vsuch ist infacht zu Si usacht di schlunigung a, so dass auch gilt F =. (13) m F = m a = - z. (14) Ablnkspuln 3

4 RAUNSCHE RÖHRE Es folgt m = (15) und daaus gmäß obig Abbildung unt d Annahm << (bzw. ß << 1) Wit Umfomung gibt: sin(ß) = = m. (16) sin(ß) = m U. (17) Da ß nicht dikt gmssn wdn kann, bchnn wi di y-koodinat auf dm Schim mit y = S M tan(ß), wobi S M di Entfnung om End ds -Flds zum Schim ist. Fü klin Winkl gilt sin(ß) tan(ß) und damit wid Glichung (17) zu y = S M m U. (18) Im Paktikumssuch wid das Magntfld duch zwi in Rih gschaltt Spuln zugt. Es zigt in Richtung d Spulnachs und ist popotional zum Stom duch di Spuln ( I ). Di obign Fomln gltn unt d Annahm, dass man di inhomognn Fld in dn Randbichn nachlässign kann, so dass das Fld zwischn dn Spuln äumlich konstant, d.h. homogn ist. 3.3 Zusammnhang on Magntfld und magntischn Dipoln Man untschidt zwischn d magntischn Fldstäk H, dn Fldlinin an dn Magntpoln bginnn bzw. ndn und d magntischn Flussdicht (od Induktion), dn Fldlinin gschlossn sind. Im Vakuum gilt fü dis Fld = µ 0 H wobi µ0 = 1, Vs/(Am) di magntisch Fldkonstant ist. Ein on aussn anglgts Magntfld H ichtt in Mati lmnta magntisch Dipolmomnt aus und zugt so in Magntisiung M. Es gilt dann = µ ( H + M ) 0. (19) Di Magntisiung M ist im ich klin Fld popotional zu H, so dass man Glichung (19) umschibn kann zu = µ µ H. (0) 0 µ hisst Pmabilitätszahl, und si ist abhängig on d Mati, di on d magntischn Fldstäk duchstzt wid. Fü dn Fall µ < 1 spicht man on Diamagntismus. E ntstht daduch, dass duch in äusss Fld magntisch Momnt induzit und ausgichtt wdn. Da dis Effkt klin ist, wid bi iln Substanzn duch and Phänomn übdckt. So findt man il Substanzn, bi dnn µ > 1 ist. Si nthaltn pmannt ohandn magntisch Dipol, di untinand kaum wchslwikn, sich ab paalll zu inm anglgtn Magntfld ausichtn. Das Maß d Ausichtung hängt nicht nu om Magntfld, sondn auch on d Tmpatu ab, da di thmisch wgung d Ausichtung ntggnwikt. Solch Substanzn wdn paamagntisch gnannt. i Fomagntn (F, Co, Ni), di duch µ >> 1 gknnzichnt sind, koppln di pmanntn magntischn Rmannz H Kozitifldstäk H K 4

5 RAUNSCHE RÖHRE Momnt so stak untinand, daß di Wämbwgung di Ausichtung d magntischn Momnt nicht untdückn kann. Si ichtn sich innhalb unglmäßig ich, sognanntn magntischn Domänn (od Wiss-ichn), paalll aus. Wid in äußs Magntfld anglgt, wachsn dijnign Domänn auf Kostn on andn, in dnn di magntischn Momnt paalll zu Magntfldichtung sthn. Fmdatom im Gitt bhindn dabi di Vschibung on Domännwändn und fixin dis zitwis in in bstimmtn ag. Dis füht dazu, daß di Wandschibungn zum Til isibl sind. Nimmt di magntisch Fldstäk H wid ab, wdn di sibln Wandschibungn ückgängig gmacht, nicht ab di isibln. Es blibt dswgn bi H = 0 in Rmannzmagntisiung zuück. Um dis ückgängig zu machn, muß in Ggnfld, di sognannt Kozitifldstäk H K, aufgwndt wdn. Wit Magntisiung in Ggnichtung und schlißlich Umkh ds ganzn Vogangs zugt in sognannt Hystsschlif. Zum Entmagntisin ins fomagntischn Matials wndt man in abklingnds magntischs Wchslfld. 4 Duchfühung und Aufgabnstllung 4.1 Elktischs Fld Inbtibnahm d aunschn Röh gmäß d dinungsanlitung (sih Abb. (Schaltplan)). stimmung d Abhängigkit d x-ablnkung als Funktion d Spannung U x an dn Ablnkplattn. Di Mßwt solln in d Auswtung mit d Thoi (Glichung (10)) glichn wdn. Di Ablnkung, di di Elktonn schon im ich d Plattn fahn, ist zu nachlässign. Wi il Zit baucht das Elkton on d Kathod zum Schim? (D Wt wid bchnt, nicht gmssn.) 4. Magntischs Fld stimmung d Abhängigkit d y-ablnkung om Stom duch di Magntspuln ohn Eisnkn. Mit Hilf on Glichung (18) lässt sich daaus H(I), d.h. di magntisch Fldstäk H in Abhängigkit om Stom duch di Magntspuln, bstimmn ( = µ 0 (H+M), M = 0 ohn Eisnkn). 4.3 Hysts Di Ku y(i) soll fü di Eisnkn d Magntspuln aufgnommn wdn. Dafü wid in jd Spul in Eisnkn gstckt, d.h. di Magntisiung M wid nicht idntisch Null blibn. Es wid wid di y-auslnkung in Abhängigkit om Stom I duch di Magntspuln gmssn. Zu Anfang solln di Eisnkn mit inm magntischn Wchslfld ntmagntisit wdn (Vofühung duch dn Assistntn). Danach wid di Nuku bstimmt. Dazu wid di Stomstäk bginnnd on Null solang höht bis d uchtpunkt auf dm Schim am obn Rand angkommn ist. Es ist di ücknschaltung gmäß Abbildung 8 zu wndn. Danach ist di Hystsku ollständig duchzufahn. Achtung! D Stom daf wähnd d Mssung on inm Endpunkt zum andn nu in in Richtung ändt wdn, da s sonst unmöglich ist, das Hystshaltn ds Fomagntn zu mssn. 5

6 RAUNSCHE RÖHRE 5 Anhang 5.1 schaltung aunsch Röh Abbildung : schaltung d aunschn Röh. Di Qulln Q1 Q5 und Qx wdn duch das VHG und das VEA zu Vfügung gstllt. Di Punkt A1, A, P3, P4, H, K und AKN sind in Abb. 3 mkt. Abbildung 3: Foto ds Socklkastns (SOKA) d aunschn Röh 6

7 RAUNSCHE RÖHRE Abbildung 4: Vsogungshauptgät (VHG). 5. Entmagntisiung Abbildung 5: D TRAFO (Foto) 7

8 RAUNSCHE RÖHRE 5.3 Elktisch Ablnkung Abbildung 6: Vsogungsgät fü di lktisch Ablnkung (VEA). Abbildung 7: Entmagntisiungs- bzw. Ablnkspul (Foto) 8

9 RAUNSCHE RÖHRE 5.4 Magntisch Ablnkung Abbildung 8: Di ücknschaltung Abbildung 9: Schibwidstand (Foto) Abbildung 10: Pimäqull fü magntisch Ablnkung (PRIMA) 9