Bewegung im elektrischen und magnetischen Feld

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1 Bewegung im elektrischen und magnetischen Feld M. Jakob Gymnasium Pegnitz 10. Dezember 2014 Inhaltsverzeichnis Bewegung geladener Teilchen elektrischen Feldern Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern Anwendungen in der Wissenschaft

2 In diesem Abschnitt Bewegung geladener Teilchen elektrischen Feldern Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern Anwendungen in der Wissenschaft Glühelektrischer Effekt Glühelektrischer Effekt Aus glühenden Metalloberflächen treten Elektronen aus. Ihre Rate ist abhängig vom Kathodenmaterial und der Heizspannung U H. Die Spannung U A beschleunigt die freien Elektronen zur Anode, so dass eine Anodenstrom I A gemessen werden kann. Analogon: Dunstabzugshaube Veranschaulichung Diodenkennlinie // lightbox=/themenbereiche/gluehelektrischer-effekt/lb/ gluehelektrischer-effekt-kennlinie-einer-vakuumdiode 4/31 ( Version 10. Dezember 2014)

3 Anwendung: Braunsche Röhre 5/31 ( Version 10. Dezember 2014) Apps zur Braun schen Röhre Applet: Kathodenstrahlröhre //jakobvogel.net/legacy/index.php?url=physics/statics/field/index.xml Oszi für Einsteiger // bewegung-ladungen-feldern-oszilloskop-simulation-prinzip Oszilloskop 1 // lehre_2/teilchenfeld/braun_ab.htm 6/31 ( Version 10. Dezember 2014)

4 Übungen Ü 1.1: Leifi Glühelektrischer Effekt // (a) Vakuumdiode - Grundlagen (b) Braunsche Röhre E (c) Oszilloskopbilder (d) Bilder am Oszilloskop (e) Aufnahme der Diodenkennlinie E 7/31 ( Version 10. Dezember 2014) In diesem Abschnitt Bewegung geladener Teilchen elektrischen Feldern Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern Anwendungen in der Wissenschaft

5 Beschleunigung im E-Feld Elektrisches Feld - Ladungsbewegung qualitativ oben // Beschleunigung im E-Feld Für die Beschleunigung a eines Teilchens der Masse m und der Ladung q gilt im homogenen Plattenkondensator mit Plattenabstand d und Spannung U a = q E m = U q d m 9/31 ( Version 10. Dezember 2014) Einheit Elektronenvolt Ü 1.2: Welche kin. Energie hat ein Elektron, das mit einer Spannung von einem Volt beschleunigt wurde? Neue Energieeinheit Die Energie eines durch 1 V beschleunigten Elektrons nennt man ein Elektronenvolt (1 ev) Es gilt 1 ev = 1, J 10/31 ( Version 10. Dezember 2014)

6 Übungen: Bewegung im Längsfeld Ü 1.3: Leifi Bewegte Ladungen in Feldern/Aufgaben (a) Teilchen im elektrischen Längsfeld (b) Ionenantrieb (Abitur BY 2000 GK A1-1) Ü 1.4: Duden, S. 73 Ionentriebwerke Kurzzusammenfassung Ü 1.5: Duden S.88, 1, 2, 3, 4 Ionenantriebe //de.wikipedia.org/wiki/ionenantrieb 11/31 ( Version 10. Dezember 2014) Ablenkung in der Elekronen- (Kathoden-) Strahlröhre Elektrisches Feld - Ladungsbewegung qualitativ unten // Ablenkung in der Elekronenstrahlröhre Für die Bahnkurve der Teilchen gilt + y = 1 2 q m U d x2 v 2 0 q v 0 vy v x x d v 0 wird bestimmt mit dem Ansatz E kin = q U a - U a 12/31 ( Version 10. Dezember 2014)

7 Übungen: Bewegung im Querfeld Ü 1.6: Versuchsprotokoll: Ablenkung im Querfeld // Ü 1.7: Applet: Kathodenstrahlröhre erklären // Ü 1.8: Duden, S. 70,71 durcharbeiten Ü 1.9: Duden, S 88/6 Ü 1.10: Leifi Bewegte Ladungen in Feldern/Aufgaben (a) Elektronen im elektrischen Querfeld (b) Ionen im elektrischen Querfeld (Abitur BY 1992 GK A1-1) 13/31 ( Version 10. Dezember 2014) In diesem Abschnitt Bewegung geladener Teilchen elektrischen Feldern Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern Anwendungen in der Wissenschaft

8 Definition der magnetischen Flussdichte Herleitung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen Magnetische Flussdichte Bewegt sich ein Teilchen der Ladung q mit der Geschwindigkeit v senkrecht zur einem Magnetfeld der Flußdichte B, so gilt darauf die Lorentzkraft F L = q v B Die Lorentzkraft wirkt wegen Rechte-Hand-Regel senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zur Magnetfeldrichtung. 15/31 ( Version 10. Dezember 2014) Ursache-Vermittlung-Wirkung-Regel E UVW-Regel Bewegt sich eine positive Ladung senkrecht zu einem Magnetfeld so, so steht die Lorentzkraft nach der Rechte-Hand-Regel senkrecht auf der Strom- und der Magnetfeldrichtung. Für negative Ladungen nimmt man die Linke Hand. 16/31 ( Version 10. Dezember 2014)

9 Lorentzkraft Lorentzkraft Die Lorentzkraft zwingt geladene Teilchen auf eine Kreisbahn. Bewegte Ladungen in Feldern // MA Sonnenwind und Polarlichter //media.pearsoncmg.com/aw/aw_0media_astro/if/if.html?cause_of_ aurora_borealis 17/31 ( Version 10. Dezember 2014) Spezifische Ladung von Elektronen I Versuchsaufbau und Animationen // Austrittsgeschwindigkeit v der e 1 2 mv2 = U e m 2 v 2 = 2U m e ( ) 18/31 ( Version 10. Dezember 2014)

10 Spezifische Ladung von Elektronen II und wegen ( ) gilt F Z = F L mv 2 = e v B r m v = e r B m 2 v 2 = e 2 r 2 B 2 2U m e = e 2 r 2 B 2 e m = 2U r 2 B 2 19/31 ( Version 10. Dezember 2014) Übung Fadenstrahlrohr Ü 2.1: Leifi Fadenstrahlrohr (a) Ionen in Salzlösung (Abitur BY 1998 GK A1-1) (b) Versuchsauswertung zum Fadenstrahlrohr (c) Erzeugung eines Ionenstrahls (Abitur BY 2008 GK A1-1) (d) Versuchsauswertung zum Fadenstrahlrohr 20/31 ( Version 10. Dezember 2014)

11 In diesem Abschnitt Bewegung geladener Teilchen elektrischen Feldern Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern Anwendungen in der Wissenschaft Wird ein flächenhafter stromdurchflossener Leiter senkrecht zur Driftgeschwindigkeit der Elektronen von einem Magnetfeld durchsetzt, so kann man zwischen den Punkten A und B die sog. Hall-Spannung U H nachweisen. 22/31 ( Version 10. Dezember 2014)

12 Hall-Spannung F E = F L e UH d = e v B Umstellen nach U H liefert U H = v B d 23/31 ( Version 10. Dezember 2014) Übungen Ü 2.2: Bestimmung der Driftgeschw. von Elektronen Ü 2.3: Leifi - (a) Kalibrierung einer Hall-Anordnung (b) Halleffekt an Goldplättchen, GK 2003 I/3 24/31 ( Version 10. Dezember 2014)

13 In diesem Abschnitt Bewegung geladener Teilchen elektrischen Feldern Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern Anwendungen in der Wissenschaft Anwendungen Wienfilter Ü 3.1: Leifi - Massenspektrometer (a) Alpha-Teilchen in Feldern (Abitur BY 2001 GK A1-1) (b) Geschwindigkeitsfilter (c) Med. Anwendung des s (Abitur BY 2013 Ph11-2 A1) (d) Gepulster Elektronenstrahl (Abitur BY 2007 GK A1-1) 26/31 ( Version 10. Dezember 2014)

14 Anwendungen Spektrographen - Simulation // (a) Aston-Spektrograph (b) Bainbridge-Spektrograph Ü 3.2: Leifi - Massenspektrometer (a) Bainbridge Spektrometer (Abitur BY 2000 GK A1-2) (b) Trennung von Isotopen (Abitur BY 1984 GK A1-1) 27/31 ( Version 10. Dezember 2014) In diesem Abschnitt Bewegung geladener Teilchen elektrischen Feldern Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern Anwendungen in der Wissenschaft

15 Anwendungen Zyklotron Zyklotron-Simulation // Ü 3.3: Leifi - Zyklotron (a) Normal-Zyklotron (b) Low-Cost-Zyklotron (Abitur BY 2003 GK A1-2) 29/31 ( Version 10. Dezember 2014) Anwendungen Andere - Überblick // Ü 3.4: (Abitur BY 2011 G8 Ph11-2-2) 30/31 ( Version 10. Dezember 2014)

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