Bewegte geladene Teilchen in elektrischen Feldern

Dieses Kapitel untersucht das Verhalten geladener Teilchen in elektrischen Feldern, insbesondere in homogenen elektrischen Feldern. Das Verständnis dieser Bewegungen ist entscheidend für viele Anwendungen in der Teilchenphysik und Elektronik.

In einem homogenen elektrischen Feld gelten folgende Prinzipien:

1. Ruhende geladene Teilchen werden parallel zur Richtung der Feldlinien beschleunigt.
2. Teilchen, die sich parallel zu den Feldlinien bewegen, werden in Bewegungsrichtung beschleunigt oder abgebremst.
3. Bei einem homogenen Feld ist die Beschleunigung oder Abbremsung gleichmäßig.

Formel: Die Beschleunigung eines Teilchens im elektrischen Feld wird durch a = (q · E) / m beschrieben, wobei q die Ladung, E die elektrische Feldstärke und m die Masse des Teilchens ist.

Für zunächst ruhende Teilchen nach der Beschleunigungsspannung gilt:

Formel: v = √(2 · q · UB / m), wobei UB die Beschleunigungsspannung ist.

Besonders interessant ist das Verhalten geladener Teilchen in einem homogenen elektrischen Querfeld:

Highlight: Teilchen, die sich senkrecht zu den Feldlinien bewegen, werden parallel zur Richtung der Feldlinien und somit senkrecht zur ursprünglichen Bewegungsrichtung beschleunigt. In einem homogenen Feld bewegen sich die Teilchen auf einer Parabelbahn, ähnlich dem waagerechten Wurf in der Mechanik.

Die Bewegung der Teilchen kann in zwei Komponenten zerlegt werden:

1. X-Komponente: Eine horizontale gleichförmige Bewegung (x = v₀ · t)
2. Y-Komponente: Eine vertikale gleichmäßig beschleunigte Bewegung

Diese Überlagerung führt zur charakteristischen Parabelbahn der Teilchen im elektrischen Querfeld.

Das Verständnis dieser Bewegungen ist essentiell für die Entwicklung von Teilchenbeschleunigern, Elektronenstrahlröhren und anderen Anwendungen in der modernen Physik und Technik.

Elektrische Ladungen und Felder

Dieses Kapitel befasst sich mit den grundlegenden Konzepten der Elektrostatik. Es erklärt, wie Körper elektrisch geladen sein können und führt das Konzept des elektrischen Feldes ein.

Elektrische Ladungen werden als positiv (Elektronenmangel) oder negativ (Elektronenüberschuss) beschrieben. Die Ladung Q wird in Coulomb (C) gemessen und steht in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der fehlenden oder überschüssigen Elektronen.

Definition: Q = N · e, wobei N die Anzahl der Elektronen und e die Elementarladung (1,6 · 10^-19 C) ist.

Das elektrische Feld wird durch Feldlinien dargestellt, die die Kraftrichtung auf einen positiven Probekörper anzeigen. Es gibt wichtige Eigenschaften des elektrischen Feldes zu beachten:

• Feldlinien verlaufen von positiv zu negativ geladenen Körpern
• Feldlinien überkreuzen sich nicht und sind geschlossen
• Es existieren anziehende und abstoßende Kräfte

Highlight: Ein homogenes elektrisches Feld zeichnet sich durch parallele, geradlinige und gleich dichte Feldlinien aus, wobei die Kraft in jedem Punkt gleich ist.

Die elektrische Feldstärke E gibt an, wie groß die Kraft F auf eine Ladung Q im elektrischen Feld ist. Sie wird in N/C oder V/m gemessen.

Formel: E = F / Q

Das Kapitel führt auch die Konzepte der Influenz und elektrischen Polarisation ein:

• Influenz ist der Vorgang der Ladungstrennung bei einem leitenden Körper unter dem Einfluss eines anderen geladenen Körpers.
• Elektrische Polarisation beschreibt die Ladungsverschiebung in Isolatoren unter dem Einfluss eines geladenen Körpers.

Diese Grundlagen sind essentiell für das Verständnis komplexerer elektrostatischer Phänomene und Anwendungen.