3B SCIENTIFIC PHYSICS

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1 B SCIENTIFIC PHYSICS Doppelstrahlröhre D 15 Bedienungsanleitung 11/17 LF 1, -mm-buchsen zum nschluss der Heizung und Kathode -mm-steckerstift zum nschluss der node -mm-steckerstift zum nschluss der blenkplatte 5 xiale Elektronenkanone Senkrechte Elektronenkanone 7 blenkplatte 8 Halter 9 Fluoreszenzschirm 1. Sicherheitshinweise Glühkathodenröhren sind dünnwandige, evakuierte Glaskolben. Vorsichtig behandeln: Implosionsgefahr! Röhre keinen mechanischen Belastungen aussetzen. Verbindungskabeln keinen ugbelastungen aussetzen. Röhre nur in den Röhrenhalter D (1857) einsetzen. u hohe Spannungen, Ströme sowie falsche Kathodenheiztemperatur können zur erstörung der Röhre führen. Die angegebenen Betriebsparameter einhalten. Beim Betrieb der Röhren können am nschlussfeld berührungsgefährliche Spannungen und Hochspannungen anliegen. Schaltungen nur bei ausgeschalteten Versorgungsgeräten vornehmen. Röhren nur bei ausgeschalteten Versorgungsgeräten ein- und ausbauen. Im Betrieb erwärmt sich der Röhrenhals. Röhre vor dem usbau abkühlen lassen. Die Einhaltung der EC Richtlinie zur elektromagnetischen Verträglichkeit ist nur mit den empfohlenen Netzgeräten garantiert.. Beschreibung Die Doppelstrahlröhre dient zur Bestimmung der spezifischen Ladung e/m aus dem Bahndurchmesser des Elektronenstrahls bei tangentialem Einschuss und senkrecht angelegtem Magnetfeld sowie zur Beobachtung der Spiralbahnen von Elektronen bei axialem Einschuss und koaxialem Magnetfeld. Die Doppelstrahlröhre ist ein teilevakuierter, mit Neon gefüllter Glaskörper mit tangentialer und axialer Elektronenkanone mit je einer indirekt beheizten Oxid-Kathode. Die senkrecht zueinander angeordneten Elektronenstrahlen erlauben eine gemeinsame blenkplatte für beide Elektronenkanonen. Die Elektronenbahnen werden durch Stoßanregung der Neonatome als feiner, orangefarbener Leuchtstrahl sichtbar. 1

2 Heizspannung: nodenstrom: nodenspannung: blenkspannung: Glaskolben: Gesamtlänge: Gasfüllung:. Technische Daten max. 7,5 V C/DC max. m Maximalwert so, dass nodenstrom m (typisch 1- V DC) max. 5 V DC ca. 1 mm Ø ca. mm Neon. Bedienung ur Durchführung der Experimente mit der Doppelstrahlröhre sind folgende Geräte zusätzlich erforderlich: 1 Röhrenhalter D DC Netzgerät 5 V (@ V) 18 oder 1 DC Netzgerät 5 V(@115 V) 17 1 Helmholtz-Spulenpaar D 1 nalog Multimeter M Einsetzen der Röhre in den Röhrenhalter Röhre nur bei ausgeschalteten Versorgungsgeräten ein- und ausbauen. Fixierschieber des Röhrenhalters ganz zurück schieben. Röhre in die Klemmen einsetzen. Mittels der Fixierschieber Röhre in den Klemmen sichern.. Entnahme der Röhre aus dem Röhrenhalter um Entnehmen der Röhre Fixierschieber wieder zurück schieben und Röhre entnehmen.. nmerkungen 1. Begrenzung des nodenstroms: ur Vermeidung von zu starkem Beschuss mit positiven Ionen auf die Elektronen emittierenden Chemikalien der Kathode sollte der nodenstrom wann immer möglich auf m begrenzt sein. Höhere Ströme sind für kurze eit tolerierbar, über längere eit jedoch verkürzen sie jedoch die normale Lebenszeit der Röhre.. Thermische Stabilität der Kathode: us dem gleichen Grund sollte der Beschuss einer kalten, sich gerade aufheizenden Kathode vermieden werden.. Fokussierung des Strahls: Mittels kleiner Spannungen UP an der blenkplatte lässt sich der Strahl fokussieren. Spannungen über V führen zu einer Verschlechterung der Ergebnisse. 5. Versuchsbeispiele 5.1 bschätzung von e/m Ein Elektron der Masse m mit der Ladung e, das sich mit der Geschwindigkeit v senkrecht zu einem magnetischen Feld B bewegt, erfährt die Kraft F, die senkrecht sowohl zu B und v wirkt: F evb Sie zwingt das Elektron in eine Kreisbahn mit dem Krümmungsradius R in einer Ebene senkrecht zu B. Die entripetalkraft ist gegeben durch mv F R evb. Für die Energie eines Elektrons in der Doppelstrahlröhre gilt: 1 eu mv Durch uflösung nach v und Einsetzen in die Gleichung ergibt sich: e m U B R Der usdruck e/m ist die spezifische Ladung eines Elektrons und hat die feste Größe (1,75888 ±,) x 1 11 C/kg Bestimmung von B Die Spulen haben einen Durchmesser von 18 mm und in der Helmholtz-nordnung eine Flussdichte B von B H = (.17 x 1 - ) I H T/ Beschaltung der Röhre gemäß Fig. vornehmen. Raumbeleuchtung abdunkeln. Heizspannung UF von,5 V einstellen und einige Minuten warten bis sich die Temperatur der Heizung stabilisiert hat (siehe.). nodenspannung U von 9 V einstellen und warten, bis sich der nodenstrom stabilisiert hat (Plattenspannung UP = V). Spulenstrom IH so einstellen, dass der abgelenkte Strahl durch Punkt am Rand des Leuchtschirms geht. Gleichzeitig mittels einer Plattenspannung UP von maximal V den Strahl fokussieren. U erhöhen und IH so einstellen, dass der abgelenkte Strahl immer durch Punkt geht. nodenspannung nur so weit erhöhen,

3 dass der nodenstrom m nicht überschreitet. Werte in einer Tabelle zusammenstellen. U in Volt Bestimmung von R IH in mpere Der Elektronenstrahl tritt bei C aus der Elektronenkanone auf der Längsachse der Röhre, die eine Tangente zu jeder kreisförmigen blenkung des Strahls bildet. Der Mittelpunkt der Kreisbahn ist der Punkt B. Er liegt in der Ebene DCD ungefähr mm entfernt von der Ebene EE (siehe Fig. 1). B BC C BC DC C x y R BC B DC y R x y y weckmäßig ist es dabei den Strahl von oben zu betrachten, der dann als gerade Linie erscheint, und mit einer Plattenspannung von maximal V zu fokussieren. nmerkung: Die axiale Nicht-Linearität des Strahls bewirkt, dass er aus der Ebene der Elektronenkanone verschoben ist. Um genauere Resultate zu erreichen sollte die Röhre mittels der Halterungsgabel so gedreht werden, dass der Kreis in der Ebene der Elektronenkanone liegt. Gleichzeitig sollte IH so angepasst werden, dass die Ebene eine gute Tangente zur Kreisbahn bildet. Ein leichter Winkelversatz zur Röhrenachse ist tolerierbar. Der Strahl bildet auch eine leichte Spirale statt einer Kreisbahn zu folgen. U erhöhen und IH so einstellen, dass die Ebene immer eine Tangente zum abgelenkten Strahl bildet. nodenspannung nur so weit erhöhen, dass der nodenstrom m nicht überschreitet. Werte in einer Tabelle zusammenstellen und grafisch darstellen. R = E/ und R² = E²/ wie im Versuch 5.1 bestimmen. Durch Einsetzen der Werte in die Gleichung e m U I HR lässt sich ein Näherungswert für e/m errechnen. B D mm C E R y y 5. Der Effekt eines axialen Magnetfelds Röhre in einem Winkel von 9 zu ihrer normalen Position im Halter platzieren (siehe Fig.). Eine Spule so in den Röhrenhalter einsetzen, dass der Leuchtschirm von ihr umschlossen ist. Beschaltung der Röhre gemäß Fig. vornehmen. x D E - Fig. 1 Bestimmung von R 5. Die kreisförmige blenkung und bschätzung von e/m Beschaltung der Röhre gemäß Fig. 5 vornehmen. nodenspannung U von 1 V einstellen und warten, bis sich der nodenstrom stabilisiert hat (Plattenspannung UP = V). Spulenstrom IH so einstellen, dass der abgelenkte Strahl einen Kreis bildet und die Ebene eine Tangente dazu ist. Fig. ufbau der Spule nodenspannung U auf max. V einstellen und warten, bis sich der nodenstrom stabilisiert hat (Plattenspannung UP = V).

4 Spulenstrom IH langsam erhöhen. Mit nur einem axialen Vektor der Geschwindigkeit va wird die axiale Nicht-Linearität des Strahls korrigiert und fällt mit der wahren chse des Felds zusammen. Mit einem Filzstift die Lage des Strahls markieren. IH auf 1,5 einstellen, UP langsam erhöhen, so dass ein zweiter Geschwindigkeitsvektor vp auf den Strahl wirkt. Den Elektronenstrahl durch die Spule hindurch beobachten. Der Strahlengang wird in eine Helix umgeformt. Der Strahl geht dabei nicht um die Feldachse, sondern kehrt jeweils nach jeder Schleife dorthin zurück. Feld B durch Umpolung der Helmholtzspule umkehren und den Strahl beobachten. nodenspannung verändern und uswirkung auf die Helix beobachten, wieder auf V zurückkehren. nodenspannung nur so weit erhöhen, dass der nodenstrom m nicht überschreitet.. nmerkungen 1. Der kreisförmige Strahl in Experiment 5. ist sichtbar durch Photonenemission. Diese Energie geht verloren und wird nicht ersetzt. us diesem Grund tendiert der Strahl zu einem spiralförmigen Verlauf statt einer Kreisbahn zu folgen. Bei einem festen Radius R und einer wirklichen Kreisbahn ist U/IH² größer als gemessen und deshalb ist der Fehler bei der Bestimmung von e/m immer auf der negativen Seite. Trotzdem lassen sich Ergebnisse erzielen, die innerhalb % genau sind.. Bei Experimenten mit halbkreisförmig abgelenkten Strahlen wie in Experiment 5.1 werden Ergebnisse erzielt, die größer sind als der Literaturwert. Die Punkte und E, zu denen der Strahl abgelenkt wird, liegen außerhalb der homogenen Region der Helmholtzspulen. Dort nimmt die Flussdichte ab. Bei einem bestimmten Radius R und einem homogenen Feld ist U/IH² kleiner als gemessen und deshalb ist der Fehler bei der Bestimmung von e/m immer auf der positiven Seite. Trotzdem lassen sich Ergebnisse erzielen, die innerhalb % genau sind. Fig. Helix des abgelenkten Strahls DC POWER SUPPLY... 5 V V V V V... 5 V... 5 V... 8 V... 1 V I U U P U F U H I H Fig. Bestimmung von e/m mittels der axialen Elektronenkanone

5 DC POWER SUPPLY... 5 V V V V V... 5 V... 5 V... 8 V... 1 V I U U P U F U H I H Fig. 5 Bestimmung von e/m mittels der senkrechten Elektronenkanone DC POWER SUPPLY... 5 V V V V V... 5 V... 5 V... 8 V... 1 V U U P U F U H I I H Fig. Der Effekt eines axialen Magnetfelds B Scientific GmbH Rudorffweg 8 11 Hamburg Deutschland Technische Änderungen vorbehalten Copyright 17 B Scientific GmbH

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