UNTERSUCHUNG DER ABLENKUNG VON ELEKTRONEN IM ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHEN FELD

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "UNTERSUCHUNG DER ABLENKUNG VON ELEKTRONEN IM ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHEN FELD"

Albert Kuntz
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Elktrizitätslhr Elktronnstrahl-Röhrn Thoson-Röhr UNTERSUCHUNG DER ABLENKUNG VON ELEKTRONEN IM ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHEN FELD Untrsuchung dr Ablnkung ins Elktronnstrahls in in agntischn Fld. Untrsuchung dr Ablnkung ins Elktronnstrahls in in lktrischn Fld. Aufbau ins Gschwindigkitsfiltrs aus gkruzt lktrisch und agntisch Fld. Abschätzung dr spzifischn Ladung ds Elktrons. UE /08 UK ALLGEMEINE GRUNDLAGEN In dr Thoson-Röhr passirn di Elktronn in horizontalr Richtung in Schlitzblnd hintr dr Anod und trffn auf in schräg in dn Strahlngang gstlltn Luchtschir, auf d dr Strahlvrlauf sichtbar wird. Hintr dr Schlitzblnd ist in Plattnkondnsator angbracht, in dssn vrtikal lktrisch Fld di Elktronn vrtikal abglnkt wrdn. Zusätzlich kann it Hlholtzspuln in snkrcht zur Strahlrichtung vrlaufnds horizontals Magntfld aufgbaut wrdn, in d di Elktronn bnfalls vrtikal abglnkt wrdn: Auf in Elktron, das sich it dr Gschwindigkit v durch in Magntfld B bwgt, wirkt di Lorntz-Kraft F = v B (1) : Elntarladung snkrcht zu dr von dr Bwgungsrichtung und d Magntfld aufgspanntn Ebn. Di Ablnkung rfolgt in vrtikalr Richtung, wnn sowohl di Bwgungsrichtung wi auch das Magntfld in dr horizontaln Ebn lign (sih Fig. 1 untn). Stht di Bwgungsrichtung snkrcht auf d hoognn Magntfld, so wrdn di Elktronn auf in Krisbahn gzwungn, drn Zntriptalkraft durch di Lorntz-Kraft ggbn ist. v = v B () r : Elktronnass, r: Krisbahnradius. Di Gschwindigkit dr Elktronn hängt von dr Anodnspannung ab. Es gilt: v = (3) Soit kann aus d Krisbahnradius di spzifisch Ladung ds Elktrons bstit wrdn, wnn das hoogn Magntfld B und di Anodnspannung bkannt sind. Aus () und (3) folgt für di spzifisch Ladung ds Elktrons: UA = (4) ( B r) Dr Krüungsradius r lässt sich aus d Austrittspunkt ds abglnktn Elktronnstrahls auf d Schir bstin. Das Magntfld B dr Hlhotzspuln rgibt sich aus d Spulnstro I H (sih Auswrtung). Fig. 1: Schatisch Darstllung zur Thoson-Röhr. Ablnkung i lktrischn Fld (obn), (i agntischn Fld untn) 1 / 5

2 Ligt in Spannung U P a Plattnkondnsator an, so wrdn di Elktronn in dssn vrtikal lktrisch Fld E it dr Kraft F = E (5) : Elntarladung bnfalls vrtikal abglnkt (sih Fig. 1 obn). Das lktrisch Fld kann dahr so gwählt wrdn, dass s di Ablnkung i agntischn Fld grad ausglicht: E + v B = 0 (6) In dis Fall lässt sich di Gschwindigkit dr Elktronn licht bstin. Es gilt: E v = (7) B Ein Anordnung aus gkruzt lktrisch und agntisch Fld, in dr di Ablnkung dr Elktronn zu Null kopnsirt wird, wird dahr als Gschwindigkitsfiltr bzichnt. Di Abhängigkit dr Gschwindigkit v von dr Bschlunigungsspannung rgibt sich aus d Vrglich zwischn potntillr und kintischr Enrgi. Es gilt UA = v bzw. v = UA (8) GERÄTELISTE 1 Thoson-Röhr S U Röhrnhaltr S U Hlholtz-Spulnpaar S U Hochspannungs-Ntzgrät, 5 kv U DC-Ntzgrät, V U DC Aprtr, 3 A, z.b. U Satz 15 Sichrhits-Exprintirkabl U13801 SICHERHEITSHINWEISE Glühkathodnröhrn sind dünnwandig, vakuirt Glaskolbn. Vorsichtig bhandln: Iplosionsgfahr! Thoson-Röhr kinn chanischn Blastungn ausstzn. An di Thoson-Röhr wird u.u. brührungsgfährlich Spannung anglgt: Für Anschlüss nur Sichrhits-Exprintirkabl vrwndn. Schaltungn nur bi ausgschaltt Vrsorgungsgrät vornhn. Thoson-Röhr nur bi ausgschaltt Vrsorgungsgrät in- und ausbaun. AUFBAU Einbau ds Hlholtz-Spulnpaars und dr Thoson-Röhr in dn Röhrnhaltr: Bid Hlholtz-Spuln it dn Anschlussbuchsn nach außn wisnd in dr Mitt ds Spulninschubs instzn und ganz nach außn schibn. Thoson-Röhr in dn Röhrnhaltr inschibn. Dabi darauf achtn, dass di Kontaktstift dr Röhr ganz in di dafür vorgshnn Kontaktöffnungn ds Haltrs inrastn. Dr ittlr Führungsstift dr Röhr uss licht hintn a Haltr hrausragn. Bid Hlholtz-Spuln bis zur Markirung nach innn vrschibn. Dr ittlr Abstand dr bidn Hlholtz-Spuln bträgt dann 68. Anschluss dr Hiz- und dr Bschlunigungsspannung: Hochspannungs-Ntzgrät ausgschaltt lassn und Spannungsstllr ganz zu linkn Anschlag drhn. Di Buchsn F3 und F4 ds Röhrnhaltrs ittls Sichrhits- Exprintirkabln it d Hizspannungsausgang (blau Buchsn) ds Hochspannungs-Ntzgräts vrbindn (sih auch Fig. 1). Di Buchs C5 ds Röhrnhaltrs ittls Sichrhits- Exprintirkabl it d Minus-Pol (schwarz Buchs) ds Hochspannungs-Ntzgräts vrbindn (Anschlüss C5 und F4 sind innrhalb dr Röhr itinandr vrbundn). Di Buchs A1 ds Röhrnhaltrs it d Plus-Pol (rot Buchs) ds Hochspannungsausgangs und dn Plus-Pol it dr glb-grünn Erdungsbuchs vrbindn. Anschluss dr Hlholtz-Spuln: DC-Ntzgrät ausgschaltt lassn und all Spannungsstllr ganz zu linkn Anschlag drhn. Di Buchs A dr rstn Spul it d Minus-Pol und Buchs Z it d Plus-Pol ds 1-V-Ausgangs vrbindn. Zwit Spul paralll zur rstn anschlißn, dazu jwils di ggnübrligndn Buchsn vrbindn. Aprtr in Rih zu dn bidn Hlholtz-Spuln schaltn. Anschluss dr Ablnkspannung: Di Buchs G7 ds Röhrnhaltrs it d Minus-Pol ds 500- V-Ausgangs vrbindn. Dn Plus-Pol it dr glb-grünn Erdungsbuchs ds Hochspannungsgräts vrbindn. Hinwis: Solln di Ablnkungn i lktrischn odr i agntischn Fld in dr ntggngstztn Richtung rfolgn, sind di Anschlüss a jwilign DC-Ntzgrät zu vrtauschn. / 5

3 Fig. : Exprintllr Aufbau zur Untrsuchung dr Ablnkung i lktrischn und i agntischn Fld. DURCHFÜHRUNG Hochspannungsntzgrät inschaltn. Dr Hizdraht bginnt sofort, rötlich zu glühn. Bschlunigungsspannung =,0 kv instlln und dn waagrchtn Vrlauf ds Elktronnstrahls auf d Luchtschir bobachtn. DC-Ntzgrät V inschaltn. Langsa dn Stro I H durch das Hlholtz-Spulnpaar rhöhn, bis dr Elktronnstrahl a Rand ds Luchtschirs durch Mitt dr Skala vrläuft (sih Fig. 3). Spannung U P an dn Ablnkplattn so wähln, dass di Ablnkung ds Elktronnstrahl zu Null kopnsirt wird. Strostärk I H und ggf. Spannung U P notirn. Spannung U P auf Null zurückstlln. Mssung für = 3,0 und 4,0 kv widrholn. Anodnspannung = 3 kv instlln. I H = 0, A wähln und di Plattnspannung U P so instlln, dass di Ablnkung ds Elktronnstrahls zu Null kopnsirt wird. Strostärk I H und Spannung U P notirn. Vorgang für I H = 0,4 A, 0,6 A und 0,8 A widrholn. MESSBEISPIEL Tab. 1: (Zur agntischn Ablnkung durch di Mitt dr Randskala rfordrlichr) Stro durch das Hlholtz-Spulnpaar I H und (di Ablnkung zu Null kopnsirnd) Plattnspannung U P in Abhängigkit von dr Anodnspannung. / kv I H / A U P / V,0 0, ,0 0, ,0 0, Tab. : Hlholtz Spulnstro I H und kopnsirnd Plattnspannung U P bi dr fstn Anodnspannung = 3,0 kv Nr. I H / A U P / V 1 0, 100 0, , ,8 440 Fig. 3: Ablnkung ds Elktronnstrahls durch di Mitt dr Skala a Rand ds Luchtschirs 3 / 5

4 AUSWERTUNG a) Das agntisch Fld B in in Hlholtz-Spulnpaar ist proportional zu Stro I H durch in inzln Spul. Dr Proportionalitätsfaktor k kann aus d Spulnradius R = 68 und dr Windungszahl N = 30 j Spul brchnt wrdn: 3 T B = k I H it 4 Vs N k = π = 4, 5 A R A b) Dr Krüungsradius r ds abglnktn Elktronnstrahls lässt sich in Fig. 4 aus d Austrittspunkt B bstin. c) Das lktrisch Fld i Plattnkondnsator lässt sich aus dr Spannung U P und d Plattnabstand d = 8 brchnn: UP E = d d) Zur Abschätzung dr spzifischn Ladung ds Elktrons brchnt an das Magntfld B aus dn in Tab. 1 anggbn Wrtn für dn Stro I H und rhält di in Tab. 3 anggbnn Wrt. Fig. 5 zigt in grafisch Darstllung ds Zusanhangs zwischn dr Anodnspannung und d Quadrat ds Magntflds B für di Wrt aus Tab. 3. Di Stigung dr ingzichntn Usprungsgradn bträgt kv = 1,7 B T Daraus brchnt an UA = = 17, 10 0, 1 B 11 As (Litraturwrt: 11 = 176, 10 As ) Tab. 3: Aus dn Msswrtn I H dr Tab.1 rittlt Wrt B und B in Abhängigkit von dr Anodnspannung. / kv B / T B / T,0 1,11 1,4 3,0 1,30 1,70 4,0 1,55,41 Fig. 4: Darstllung zur Brchnung ds Krüungsradius r dr Elktronnbahn aus d Abstand f zwischn d Austrittspunkt B und d Eckpunkt A Nach Pythagoras gilt: ( r a) = c + r r a a r = c + b = c + + c + a = d = k + f it k = a = g = ( k f ) c Soit ist r = + a a = k + f ( k f ) Ligt dr Punkt B in dr Mitt dr Skala, ist f = 40. Für disn Fall brchnt an: r = 141 und 1 r = 0, 1. Gl. (4) lässt sich dait uforn zu: UA = 0, 1 B Fig. 5: Grafisch Darstllung ds Zusanhangs zwischn und B bi konstant Krüungsradius r = / 5

5 ) Zur Bstätigung von Gl. (7) brchnt an aus dn Msswrtn dr Tab. di Wrtpaar B und E, bi dnn di Ablnkung Elktronstrahls zu Null kopnsirt wird (sih Tab. 4) und stllt das Ergbnis in in E-B-Diagra dar. (sih Fig. 6). In Übrinstiung it Gl. (7) lign di Msswrt i Rahn dr Mssgnauigkit auf inr Ursprungsgradn. Drn Stigung ist di Gschwindigkit dr Elktronn. 7 Man rhält: v = 3, 10 (bi = 3,0 kv) s Tab. 4: Magntischs Fld B und kopnsirnds lktrischs Fld E bi dr fstn Anodnspannung = 3,0 kv Nr. B / T E / V/ 1 0,4 1,5 0,84 8,1 3 1,6 41,3 4 1,68 55,0 Fig. 7: Grafisch Darstllung ds Zusanhangs zwischn v und Fig. 7 zigt dn Zusanhang zwischn d Quadrat dr Gschwindigkit und dr Anodnspannung. Aus dr Stigung dr ingzichntn Ursprungsgradn lässt sich nach Gl. (8) bnfalls di spzifisch Ladung ds Elktrons bstin. Man rhält: (Litraturwrt: UA = = 18, 10 v 11 As = 176, ) As Fig. 6: Grafisch Darstllung dr Msswrt aus Tab. 4 f) Mit Hilf dr Msswrt aus Tab. 1 kann di Gschwindigkit v dr Elktronn für vrschidn Anodnspannungn bstit wrdn. Das Ergbnis ist in Tab. 5 ingtragn. Tab. 5: Aus dn Msswrtn I H und U P dr Tab.1 rittlt Wrt B und E sowi di daraus brchnt Gschwindigkit v und drn Quadrat in Abhängigkit von dr Anodnspannung. / kv B / T E / V/ v / /s v / (/s),0 1,11 30,0 7, ,0 1,30 41,3 7 3, ,0 1,55 58,8 7 3, , , , B Scintific GbH, Rudorffwg 8, 1031 Haburg, Dutschland, Copyright 008 3B Scintific GbH

Ähnliche Dokumente

Atom- und Kernphysik. Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons. LD Handblätter Physik P Wit

Atom- und Kernphysik. Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons. LD Handblätter Physik P Wit Atom- und Krnphysik Einführnd Exprimnt Spzifisch Elktronnladung LD Handblättr Physik Bstimmung dr spzifischn Ladung ds Elktrons P6.1.3.1 Vrsuchszil Untrsuchung dr Ablnkung von Elktronn in inm Magntfld