Grundlagen
Geladene Teilchen werden durch elektrische und magnetische Felder beeinflusst. Während das elektrische Feld stets wirkt beeinflusst das Magentfeld die Teilchen nur, wenn sie sich bewegen.
Felder
Welche Regeln gelten für den Verlauf von elektrischen bzw. magnetischen Feldern? Was ist ein homogenes Feld?
Skizzieren Sie folgende Felder:
- elektrisches Feld zwischen zwei gegensätzlich (+ und -) geladenen Kugeln
- elektrisches Feld in einem geladenen Plattenkondensator
- elektrisches Feld zwischen zwei positiv geladenen Kugeln
- magnetisches Feld eines Stabmagneten
- magnetisches Feld eines Hufeisenmagneten
- magnetisches Feld einer Spule
- magnetisches Feld zwischen zwei Stabmagneten, die sich mit dem Südpol zueinander gegenüberstehen
Kugel im Plattenkondensator / Millican
a) Ein Plattenkondensator mit dem Plattenabstand 4cm werde mit einer Spannung von 80V aufgeladen. Berechnen Sie das elektrische Feld im Kondensator.
b) Wie ändert sich das Feld, wenn man
- die anliegende Spannung erhöht?
- die Plattenfläche bei anliegender Spannung vergrößert?
- Den Plattenabstand bei anliegender Spannung verringert?
- die Platten von der SPannungsquelle abtrennt und in geladenem Zustand den Abstand verringert?
c) In dem Kondensator befinde sich in der Mitte nun eine Kugel der Masse 30mg und der Ladung +50μC.
Berechnen Sie
- die Kraft auf die Ladung
- die Beschleunigung, die die Ladung erfährt
- die Zeit bis zum Auftreffen auf der negativen Platte
d) Die Platten des Kondensators stehen vertikal.
Die Kugel werde nun an einem Faden aufgehängt. Um welchen Winkel wird sie aus ihrer Ruhelage ausgelenkt?
e) Die Kondensatorplatten stehen nun waagerecht.
Wie groß muss die anliegende Spannung sein, damit die Kugel schwebt?
f) Beschreiben Sie das Experiment von Millican und seine physikhistorische Bedeutung
Feld einer Kugel
Eine mit 44nC geladene 5g schwere Kugel soll über einer zweiten Kugel, die mit 58μC geladen ist zum Schweben gebracht werden. Die erste Kugel befinde sich zunächst 5cm über der zweiten.
a) Berechnen Sie die Gewichtskraft und die elektrische Kraft auf die erste Kugel. Entscheiden sie, was zunächst passieren wird.
b) In welchem Abstand wird die erste Kugel zum Schweben kommen?
Elektronenkanone
a) Beschreiben Sie den Aufbau einer Elektronenkanone.
b) Auf welche Geschwindigkeit kommt ein Elektron, das mit einer Spannung von 5V beschleunigt würde?
c) Wie müsste man den Aufbau ändern, damit ein Proton gleich schnell wird?
d) Mit welcher Spannung könnte man ein Elektron klassisch gerechnet auf Lichtgeschwindigkeit bringen? Warum ist das tatsächlich nicht möglich?
Braunsche Ablenkröhre
a) Beschreiben sie den Aufbau einer braunschen Ablenkröhre. Tragen sie auch alle elektrischen Anschlüsse ein und benennen sie diese.
Die Beschleunigungsspannung und die Ablenkspannung betragen 700V. Die Platten seinen 6cm lang und haben einen Abstand von 3cm zueinander.
b) Berechnen sie die Geschwindigkeit der Elektronen und die Zeit, die sie zwischen den Platten verbringen.
c) Berechnen Sie die Kraft auf die Elektronen zwischen den Platten, die Beschleunigung und die Ablenkung von der geraden Bahn am Ende des Kondensators. Tritt der Elektronenstrahl aus dem Kondensator aus?
e/m- Bestimmung, Massenspektrometer
Ein in einer Elektronenkanone mit 700V beschleunigtes Elektron treffe auf ein Magnetfeld der Stärke 89μT.
a) Begründen Sie, warum das Elektron in eine Kreisbahn einschwenkt. Berechnen Sie deren Radius
b) Erläutern Sie, wie man mit diesem Aufbau das Verhältnis von Ladung zu Masse (e/m) eines Teilchens bestimmen kann.
c) Beschreiben sie den Aufbau eines Massenspektrometers und erläutern sie seine Funktionsweise.
Teilchenbeschleuniger mit Geschwindigkeitsfilter
a) Erläutern Sie den Aufbau eines Synchrotrons bzw. eines großen Teilchenbeschleunigers. Wo finden jeweils die Beschleunigungen statt, Wozu benötigt man die Magnetfelder?
b) Erläutern Sie den Aufbau eines Geschwindigkeitsfilters. Welche Geschwindigkeit lässt er bei einer Magnetfeldstärke von 33mT und einer Spannung von 80V bei einem Plattenabstand von 3cm durch?