LABOR BUCHª. DESY-Schülerlabor physik.begreifen. Name: Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft

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1 LABOR BUCHª DESY-Schülerlabor physik.begreifen Name: Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Weitere Informationen auf unseren Internet-Seiten 2 physik.begreifen 07/2018

3 Braunsche Röhre Aufbau und Funktionsweise der Braunschen Röhre FUNKTIONSWEISE: Bevor ihr mit der Verkabelung beginnt: Beschreibt kurz die Funktionsweise der Braunschen Röhre, insbesondere die Bedeutung der Spannungen U H, U A und U W. physik.begreifen 07/2018 3

4 elab VERSUCHSAUFBAU: Sicherheitshinweise: Die Verkabelung bitte nur bei ausgeschaltetem Netzgerät durchführen! Bitte NUR Sicherheitskabel verwenden. Unsere Sicherheitskabel findet ihr links von der Tafel. Die Röhre bitte keinen Stößen und keinen sonstigen mechanischen Belastungen aussetzen. Vor dem ersten Einschalten sowie vor jeder Änderung der Beschaltung alle Drehregler ganz nach links drehen und die Schaltung von eurem Betreuer abnehmen lassen! Beachtet dabei die maximal zulässigen Einstellungen (Heizpannung U H : 7,5 V, Anodenspannung U A : 250 V, Wehneltspannung U W : 40 V). 4 physik.begreifen 07/2018

5 Braunsche Röhre Ablenkung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern Tipp: Optimiert bei Bedarf die Position des Elektronenstrahls mithilfe des Justiermagneten unterhalb des Kolbens. Experimentiert mit dem Sägezahn-Generator / Plattenkondensator (Einstellung 1 oder 2) und mit dem Stabmagneten. Vergleicht die Wirkung von elektrischen und magnetischen Feldern auf Elektronen miteinander. physik.begreifen 07/2018 5

6 elab Schließt nun eine Spule an einen Frequenzgenerator und legt eine sinusförmige Schwingung mit einer Frequenz von 1 Hz an. Untersucht das Magnetfeld der Spule mithilfe des Magnetfeldanzeigers. 6 physik.begreifen 07/2018 Überlegt euch, wo ihr die Spule an dem Ring um die Braunsche Röhre jeweils anbringen müsst, um den Elektronenstrahl horizontal bzw. vertikal abzulenken. Was passiert wenn die Frequenz erhöht wird?

7 Braunsche Röhre Lissajous-Figuren Schließt jetzt beide Spulen an, sodass sich die Ablenkungen in horizontaler und vertikaler Richtung überlagern. Für welche Frequenzverhältnisse ergeben sich geschlossene Figuren? Versucht die folgenden Figuren darzustellen und ergänzt unten. Worum handelt es sich bei der sogenannten Phasenverschiebung φ und wie könnt ihr diese beeinflussen? physik.begreifen 07/2018 7

8 elab Fokussierung eines Elekronenstrahls im Teilchenbeschleuniger Trotz des sehr guten Vakuums sind im Strahlrohr eines Teilchenbeschleunigers immer einige restliche Gasatome vorhanden, an denen die beschleunigten Teilchen streuen können. Auch können Feldfehler der Ablenkmagnete sowie die Abstoßung der Teilchen untereinander dazu führen, dass die Teilchen von ihrer Sollbahn abkommen. Das kann zu einer Defokussierung des Teilchenstrahls führen, wodurch die Teilchendichte im Strahl abnimmt und somit auch die Wahrscheinlichkeit einer Teilchenkollision im Detektor. Ist der Strahl sehr stark defokussiert, kann es auch zur Kollision mit dem Strahlrohr kommen. Um das zu vermeiden, bündelt man den Strahl mithilfe von sogenannten Quadrupolmagneten. Wie in der Abbildung links gezeigt wird, wirkt ein Quadrupolmagnet immer in einer Ebene fokussierend und in der Ebene senkrecht dazu leicht defokussierend. Darum ordnet man in der Regel mehrere solcher Magnete jeweils um 90 zueinander gedreht hintereinander an. So erzielt man insgesamt einen fokussierenden Effekt. 8 physik.begreifen 07/2018

9 Braunsche Röhre Realisiert einen Quadrupolmagneten, indem ihr vier Spulen wie in den Abbildungen unten rechts gezeigt um die Braunsche Röhre herum anordnet und in Reihe schaltet. Versucht den fokussierenden Effekt dieser Anordnung sichtbar zu machen, indem ihr den Strahl durch Anlegen der Sägezahnspannung zunächst aufweitet und dann den Strom in den Spulen langsam erhöht. Verbindet z. B. die gelben Anschlüsse links vertikal und die grünen Anschlüsse horizontal miteinander. Verbindet diese Schaltung dann mit dem ganz rechten, noch freien Anschluss am Netzteil. Die Spannung sollte nicht mehr als 6 V betragen, um das Netzteil zu schonen! physik.begreifen 07/2018 9

10 elab Erdmagnetfeld Das Magnetfeld der Erde (wirkende Lorentzkraft) beeinflusst die Richtung des Elektronenstrahls der Braunschen Röhre. Durch Ausrichtung der Röhre entlang bzw. senkrecht der Feldlinien lässt sich die Stärke des Erdmagnetfeldes am Ort des Experimentes bestimmen. Erzeugt einen Leuchtpunkt auf dem Schirm, benutzt dazu U A = 200 V und entfernt vorher den Justiermagneten. Richtet die Röhre mithilfe von Stativmaterial zunächst so aus, dass ihr Elektronenstrahl Richtung Norden weist. Dann wird die Röhre um eine horizontale Achse so nach unten geneigt, dass der Strahl parallel zur Richtung der magnetischen Feldlinien des Erdfeldes verläuft. Die Längsachse der Röhre und die Horizontale schließen einen Winkel von 68 ein (Inklinationswinkel in Hamburg). 10 physik.begreifen 07/2018

11 Braunsche Röhre Die Position des Leuchtpunkts auf dem Schirm wird markiert (O). Bitte nur non-permanent -Stifte verwenden. Dann wird die Röhre um eine Achse, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien und horizontal in Ost-West-Richtung verläuft, um 90 aufwärts gedreht. Die Position des Leuchtpunkts auf dem Schirm verändert sich dabei und wird wieder markiert (A). Danach wird die Röhre um 180 abwärts um die horizontale Achse gedreht und die Position wieder markiert (B). Erkläre das Vehalten des Elektronenstrahls, wenn die Röhre, wie oben beschrieben gedreht wird (Tipp: wann/wo ist die Lorentzkraft minimal bzw. maximal). Warum führt die Strecke AB nicht immer durch die Markierung O? physik.begreifen 07/

12 elab Die Lorentzkraft e v B Erde wirkt als Zentripetalkraft m e v 2 /r und die Elektronen bewegen sich auf einer kreisförmigen Bahn. Aufgrund der Anodenspannung werden die Elektronen beschleunigt, und es gilt ein Energiegleichgewicht zwischen elektrischer Energie E el = e U A und kinetischer Energie E kin = m e v 2 /2. Leitet aus diesen Zusammenhängen eine Gleichung für das Erdmagnetfeld her. Der Abstand Kathode zu Bildschirm wird mit L bezeichnet (nachmessen) und es gilt folgende Beziehung: = + 2 Berechnet B Erde und deren Verikal- und Horizontalkomponente aus euren Messdaten (U A = 200V, i = 68 ). 12 physik.begreifen 07/2018

13 Braunsche Röhre... physik.begreifen 07/

14 elab physik.begreifen 07/2018

15 Braunsche Röhre Notizen: physik.begreifen 07/

16 Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft Die Helmholtz-Gemeinschaft hat die Aufgabe, langfristige Forschungsziele des Staates und der Gesellschaft zu verfolgen, einschließlich Grundlagenforschung, in wissenschaftlicher Autonomie. Dazu identifiziert und bearbeitet sie große und drängende Fragen von Gesell schaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch strategischprogrammatisch ausgerichtete Spitzenforschung. Mit mehr als Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und einem Jahresbudget von 4,5 Milliarden Euro ist die Helmholtz-Gemeinschaft die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands.