Juni Das Schönste, was wir erleben können, ist das Geheimnisvolle. Albert Einstein. Das besondere Experiment

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1 Projektwoche Juni 2014 Das Schönste, was wir erleben können, ist das Geheimnisvolle. Albert Einstein Frau Schuster und Herr Fichtner

2 Inhaltsverzeichnis 1. Fadenstrahlrohrversuch 1.1. Ziel des Versuchs Projektwoche Versuchsaufbau und Durchführung 1.3. Auswertung Messreihe U/I bei konstantem Radius Berechnung der Flussdichte B Experimentelle Bestimmung der Flussdichte B Berechnung der Spezifischen Ladung 1.4. Fehlerdiskussion 1.5. Tipps und Kniffe 2. Wirbelstromversuch 2.1. Ziel des Versuchs 2.2. Versuchsaufbau und Durchführung Beobachtung 2.3. Erklärung 2.4. Ausblick 3. Versuch zum Hall-Effekt 3.1.Ziel des Versuchs 3.2. Versuchsaufbau und Durchführung Grundlagen 3.3. Auswertung Messreihe U H bei konstantem Querstrom 3.4.Fehlerdiskussion 3.5. Tipps und Kniffe 4. Quellenverzeichnis Paul Merz Seite 1 Patricia König

3 1. Fadenstrahlrohrversuch 1.1 Ziel des Versuchs Der Versuch dient dazu, die Spezifische Ladung eines Elektrons (e/m) aus der Spannung und der magnetischen Flussdichte und dem Radius zu bestimmen. 2.2 Versuchsaufbau und Durchführung Abb. 2.1: Versuchsaufbau An die Glühwedel im Fadenstrahlrohr wird eine Heizspannung von 6,3 V angelegt. Dadurch entsteht ein Elektronenstrahl, der durch die Beschleunigungsspannung von 300 V geführt wird. Um den Elektronenstrahl abzulenken wird ein Helmholtzspulenpaar angeschlossen. Abb. 2.2 Elektronenbahn in der Röhre Paul Merz Seite 2 Patricia König

4 Durch die Spulen wird ein Magnetfeld erzeugt. Auf die bewegten Elektronen wirkt die Lorentzkraft, welche sie auf eine Kreisbahn drängt. Im Folgenden wurde die Beschleunigungsspannung (Anodenspannung) schrittweise von 300 auf 200V abgesenkt. Hierbei wurde die Stromstärke variiert, die notwendig ist, um die Elektronen auf ihrer Bahn zu halten (Spulenstrom). Der Durchmesser des Elektronenkreises war hierbei konstant (8 cm) Auswertung Messreihe U/I bei konstantem Radius (4cm) U [V] I[A] 1,67 1,64 1,63 1,61 1,61 1,61 1,55 1,49 1,45 1,42 1, Berechnung der Magnetischen Flussdichte B Die Magnetische Flussdichte ergibt sich aus der Magnetischen Feldkonstanten, der Windungszahl der Spulen, ihrem Radius und dem Strom, der an den Spulen anliegt. 8 B = μ N I R Hierbei ergibt sich ein Mittelwert von 0, T Experimentelle Bestimmung der Magnetischen Flussdichte B Die experimentelle Bestimmung der Flussdichte B ergab für 1,4 A einen Wert von 0,001 T und für 1,67A einen Wert von 0,00116 T. Diese unterscheiden sich nur in Rundungen vom berechneten Wert Berechnung der Spezifischen Ladung Paul Merz Seite 3 Patricia König

5 Die Spezifische Ladung eines Elektrons gibt das Verhältnis seiner Ladung zu seiner Masse an. Sie ergibt sich somit aus e. Sie wird wie m folgt berechnen: e m = 2U A B 2 r 2 U A gibt hierbei die Anoden- oder Beschleunigungsspannung an und r den Radius des Elektronenkreises. B gibt die magnetische Flussdichte an. Hierbei ergibt sich ein Mittelwert von 1, dieser liegt nah am Literaturwert von 1, Die Standardabweichung ist bei den Messwerten gering. Es liegt nur eine Streuung von 3,28% vor. 1.4 Fehlerdiskussion Bei diesem Experiment kann eine Reihe von Fehlern auftreten, die im Folgenden aufgeführt sind. Des Weiteren werden Lösungsansätze zur Minimierung der Störfaktoren vorgeschlagen. Fehler treten auf bei - Dem Einjustieren der Spannung. Dabei immer auf Augenhöhe und frontal am Voltmeter ablesen. - Dem Ausrichten des Elektronenstrahls. Dazu den Strahl über die Sprossen hinwegbewegen, bis man sicher ist, dass er mittig trifft. - Dem Bestimmen der Stromstärke I. Sie kann digital abgelesen werden, hängt aber von der Spannung ab. - Dem Bestimmen des Radius des Elektronenkreises, da nicht bekannt ist, wie weit die Sprossen voneinander entfernt sind. - Dem Einstellen der Elektronenbahn. Der Strahl muss senkrecht zum B-Feld stehen. Sollte sich eine Spirale ergeben (siehe Abb. 4.1) dann muss das Strahlrohr etwas verdreht werden. - Es gibt auch Gerätefehler, die man nicht beeinflussen kann. Paul Merz Seite 4 Patricia König

6 Abb. 5.1: Spiralform - Sollte der Elektronenstrahl in die falsche Richtung ausgelenkt werden, einfach die Spulen umpolen. 1.5 Tipps und Kniffe Da zur Apparatur keine Gerätekarte vorhanden ist, hier einige wichtig Kenndaten: - Der Durchmesser der Spulen ist 40cm - Die Leitersprossen zur Bestimmung des Radius haben einen Abstand von jeweils 2 cm, somit hat die am weitesten entfernte Sprosse einen Abstand von 10cm. - Jede Spule hat 154 Windungen. - Die Spulen sind höchstens mit 3 Ampere belastbar Wichtig ist weiterhin, dass die Versuchsbeschreibung auf dem Leybold-Gerät basiert, in der Schule jedoch das Phywe-Gerät verwendet wird! Abb. 5.2: Phywe Fadenstrahlrohr Paul Merz Seite 5 Patricia König

7 2. Wirbelstromversuch 2.1 Ziel des Versuchs Projektwoche In diesem Versuch soll das Auftreten und Unterbinden von Wirbelströmen am Waltenhofschen Pendel demonstriert werden. 2.2 Versuchsaufbau und Durchführung Der Versuch wird nach untenstehender Abbildung aufgebaut. Dazu werden ein U- Kern mit Polschuhen, zwei Spulen, ein Pendel, eine Gleichspannungsquelle, diverse Kabel und ein Waltenhofsches Pendel benötigt. Abb. 6.1: Versuchsaufbau Abb. 6.2: Versuchsaufbau Paul Merz Seite 6 Patricia König

8 Das Pendel wird mit der ungeschlitzten Seite nach unten in Schwingung versetzt und schnell eine Spannung von max. 20V angelegt. Anschließend wird der Vorgang mit der geschlitzten Seite nach unten wiederholt Beobachtung Die Bewegung des geschlitzten Blechs wird beim Eintritt in das Magnetfeld gedämpft und abgebremst. Das Geschlitzte hingegen nicht. 2.3 Erklärung Das Pendel bewegt sich im Magnetfeld. Dadurch wird eine Spannung induziert. Diese baut ebenfalls ein Magnetfeld auf, welches mit dem des Elektromagneten wechselwirkt. Es wirkt ihm laut der Lenzschen Regel entgegen. Dadurch entstehen die sogenannten Wirbelströme. Beim geschlitzten Blech sind sie zu klein, da nur sie durch die Schlitze unterbrochen werden. 2.4 Ausblick Das Wirbelstromprinzip macht man sich in Wirbelstrombremsen zu Nutze. Sie sind verschleißfrei. Man setzt sie in Fahrgeschäften, Schienenfahrzeugen, LKWs, Messgeräten und sogar in Fitnessgeräten. 3. Hall-Effekt Versuch 3.1 Ziel des Versuchs Im Versuch soll der Hall-Effekt dargestellt werden und die Hall- Spannung gemessen werden. 3.2 Versuchsaufbau Paul Merz Seite 7 Patricia König

9 Die Spulen werden nach unten stehendem Schema mit zwei Pol-Füßen angeschlossen. Anschließend wird zwischen ihnen das Hall-Effekt- Grundgerät montiert. Abb. 8.1 Verkabelung der Spulen Abb.8.2: Hall Grundelement Die Verkabelung des Grundelements gestaltete sich als schwierig, da dieses ältere Modell nicht zur Versuchsbeschreibung kompartibel war. Deshalb wird hier die Verkabelung erklärt. Man benötigt zusätzlich zum Grundelement und zur Verkabelung der Spulen eine Gleichstromquelle, einen Messverstärker und ein Voltmeter. Dieses ist nicht unbedingt nötig, da der Verstärker den Wert ebenfalls anzeigt. Paul Merz Seite 8 Patricia König

10 Abb. 8.3: Versuchsaufbau An die Spulen wird eine kurzzeitige Stromstärke von max. 5 Ampere angelegt. Diese wird bei konstantem Querstrom am Grundelement von max. 10 Ampere variiert. Die Verkabelung des Elementes ist wie folgt: Abb. 9.1: Verkabelung des Elements Grundlagen Im Hall-Grundelement befindet sich eine Leiterplatte, über die ein Strom fließt. Wird nun das Magnetfeld eingeschaltet, wirkt die Lorenztkraft. Dadruch werden die Elektronen nach unten oder oben wandern (siehe Abbildung 10.1/10.2) und man kann somit zwischen den Punkten A und B eine Querspannung abgreifen. Diese wird in Abhängigkeit vom Spulenstrom untersucht. Paul Merz Seite 9 Patricia König

11 Abb. 9.2: Elektronenfluss ohne Magnetfeld Abb. 9.3: Elektronenfluss ohne Magnetfeld 3.3 Auswertung Messung von U H bei einem Querstrom von 5 Ampere I Spule [A] U Hall [V] (gemessen) 1,20E-6 1,90E-6 2,30E-6 2,70E-6 3,00E-6 B [T] 0,0675 0, , , ,29752 U Hall [V] (errechnet) 1,215E-7 4,437E-7 1,015E-6 1,7904E- 6 2,6777E-6 Es lässt sich feststellen, dass die errechneten Spannungen immer kleiner sind, als die gemessenen, der Fehler jedoch immer kleiner wird. 3.4 Fehlerdiskussion Diese Messreihe deckt sich nicht mit den theoretischen Werten. Wir haben das Experiment mit verschiedenen Messverstärkern durchgeführt. Zwei hatten keine ausreichende Verstärkung und der dritte hat sehr große Schwankungen in den Messwerten. Diese bleiben nie konstant und auch die Nullpunktkorrektur ist fragwürdig. Somit ist unter Umständen von einem Gerätedefekt auszugehen. Des Weiteren ist auch zu beachten, dass bei einer Verstärkung von 10 5 kleine Umwelteinflüsse schon Effekte hervorrufen Paul Merz Seite 10 Patricia König

12 Bei einem regulären Verlauf des Experiments können Fehler auftreten bei: - Dem Einstellen der Stroms - Dem Bestimmen der Querspannung - Der Abstandseinstellung der Polschuhe 3.5 Tipps und Kniffe Vor der Durchführung auf jeden Fall die Gerätefunktionalität überprüfen. Die Spulen nur kurzzeitig und nur bis 5 A belasten. Des Weiteren müssen die Verkabelungsunterschiede beachtet werden. Paul Merz Seite 11 Patricia König

13 4. Quellenverzeichnis Projektwoche Abb. 2.1: lch_ver.jpg Abb. 2.2: Abb. 5.1: Abb. 5.2: Abb. 6.1: Leybold Heraeus / Leybold Didactic Abb. 6.2: Abb. 8.1: Abb. 8.2: Leybold Heraeus / Leybold Didactic Abb. 8.1: Abb. 8.3: Abb. 9.1: Abb. 10.1: Abb. 10.2: Paul Merz Seite 12 Patricia König