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Geladene Teilchen im homogenen elektrischen Feld – Elektronenkanone und Ablenkröhre

PhysikElektrische und magnetische FelderAlter 16–17

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Eine Kanone beschleunigt Elektronen, Protonen oder Alphateilchen mit der Spannung Uₐ (|q|Uₐ = ½mv²); danach erzeugen zwei parallele Platten mit der Spannung U und dem Abstand d ein homogenes Feld E = U/d, das den Strahl auf eine Parabelbahn lenkt. Angezeigt werden Geschwindigkeit, Flugzeit zwischen den Platten, Austrittswinkel, Leuchtfleck auf dem Schirm und kinetische Energie in eV. Mit einem zusätzlichen Magnetfeld B lässt sich die elektrische Kraft kompensieren (v = E/B) und q/m wie bei Thomson bestimmen.

Lektion: Bewegung geladener Teilchen im homogenen elektrischen Feld; Elektronenkanone; spezifische Ladung q/m

Was sie zeigt

Zwischen parallelen Platten ist das elektrische Feld homogen, E = U/d, sodass ein geladenes Teilchen eine konstante Kraft qE erfährt. Tritt es senkrecht zum Feld ein, bewegt es sich längs der Platten gleichförmig und quer dazu gleichmäßig beschleunigt, seine Bahn ist also eine Parabel. In der Elektronenkanone verrichtet das Feld die Arbeit qUₐ, die zu kinetischer Energie ½mv² wird. Die Ablenkung y = UL²/(4dUₐ) enthält weder q noch m, daher landen Elektronen, Protonen und Alphateilchen gleich weit von der Mitte entfernt, bei entgegengesetzter Ladung auf entgegengesetzten Seiten. Ein Magnetfeld kann die elektrische Kraft kompensieren und q/m liefern.

So funktioniert es

Wählen Sie ein Teilchen und ziehen Sie Beschleunigungsspannung, Ablenkspannung, Plattenabstand, Plattenlänge und Abstand Platten–Schirm. Beim Loslassen eines Schiebereglers wird neu geschossen; frühere Schüsse bleiben grau zum Vergleich, bis Sie Spuren löschen drücken. Lesen Sie Geschwindigkeit, Ablenkung, Winkel und Energie unter dem Bild ab. Erhöhen Sie das Magnetfeld B und stellen Sie es mit − und + fein ein, bis der Fleck wieder in der Mitte ist; dann lesen Sie q/m ab.

Einstellbare Parameter

  • Teilchen Elektron, Proton, Alphateilchen (α)
  • Beschleunigungsspannung Uₐ 200–5000 V
  • Ablenkspannung U zwischen den Platten -1500–1500 V
  • Plattenabstand d 1–8 cm
  • Plattenlänge L 2–15 cm
  • Abstand Platten–Schirm D 5–30 cm
  • Magnetfeld B zwischen den Platten (in die Ebene) 0–5 mT

Fragen zum Erkunden

  1. Warum landen ein Elektron und ein Proton, mit derselben Spannung beschleunigt, gleich weit von der Schirmmitte entfernt?
  2. Wie ändert sich die Ablenkung des Leuchtflecks, wenn Sie die Beschleunigungsspannung verdoppeln, und warum?
  3. Warum muss die Geschwindigkeit des Teilchens E/B betragen, wenn sich elektrische und magnetische Kraft aufheben?

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