Kräftebilanz und Formelherleitung im Fadenstrahlrohr

Im Fadenstrahlrohr wirken verschiedene Kräfte auf die Elektronen ein, die zu einer gleichförmigen Kreisbewegung führen. Die wichtigsten Kräfte sind:

1. Die Lorentzkraft F₁ = e · v · B, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen wirkt
2. Die Zentripetalkraft F₂ = m · v² / r, die für die Kreisbewegung verantwortlich ist

Definition: Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Sie ist proportional zur Ladung, zur Geschwindigkeit und zur magnetischen Flussdichte.

Für die gleichförmige Kreisbewegung der Elektronen muss ein Kräftegleichgewicht herrschen, d.h. F₁ = F₂. Aus diesem Gleichgewicht lässt sich die Formel für die spezifische Ladung e/m herleiten:

e · v · B = m · v² / r

Durch Umformen und Einsetzen der Beziehung v = √(2eU/m) für die Geschwindigkeit der Elektronen ergibt sich:

e/m = 2U / (B² · r²)

Highlight: Die Fadenstrahlrohr Formel e/m ermöglicht die Bestimmung der spezifischen Ladung der Elektronen durch Messung der Beschleunigungsspannung U, der magnetischen Flussdichte B und des Radius r der Kreisbahn.

Diese Formel ist von zentraler Bedeutung für die Durchführung von Experimenten mit dem Fadenstrahlrohr und die Bestimmung fundamentaler physikalischer Größen.

Quote: "Die spezifische Ladung e/m ist eine charakteristische Größe für Elektronen und kann mit dem Fadenstrahlrohr präzise bestimmt werden."

Der Versuch mit dem Fadenstrahlrohr und die Herleitung der Fadenstrahlrohr Formel verdeutlichen die enge Verknüpfung zwischen Theorie und Experiment in der Physik. Sie zeigen, wie mathematische Beschreibungen und experimentelle Beobachtungen zusammenwirken, um unser Verständnis der Natur zu vertiefen.

Komponenten und Funktionsweise des Fadenstrahlrohrs

Das Fadenstrahlrohr besteht aus zwei Hauptkomponenten: der Elektronenkanone und dem gasgefüllten Glaskolben. In der Elektronenkanone wird eine Beschleunigungsspannung angelegt, wodurch Elektronen in ein Magnetfeld bewegt werden. Dies führt dazu, dass die Elektronen auf eine Kreisbahn gelenkt werden.

Um die Kreisbahn sichtbar zu machen, befindet sich im evakuierten Glaskolben eine geringe Menge an Gasmolekülen. Wenn die Heizspannung eingeschaltet wird, bildet sich zwischen Kathode und Anode ein elektrisches Feld. Die Elektronen werden dadurch auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und passieren eine kleine Öffnung.

Highlight: Die Lorentzkraft spielt eine entscheidende Rolle bei der Funktionsweise des Fadenstrahlrohrs. Sie bewirkt, dass die Elektronen auf eine Kreisbahn gelenkt werden, sobald der Spulenstrom eingeschaltet wird.

Der Aufbau des Fadenstrahlrohrs umfasst weitere wichtige Elemente:

• Eine indirekt geheizte Kathode
• Eine Anode mit Loch
• Wehnelt-Zylinder zur Fokussierung des Elektronenstrahls
• Helmholtz-Spulen zur Erzeugung des Magnetfelds
• Elektrische Quellen für Heizspannung, Beschleunigungsspannung und Wehnelt-Spannung

Vocabulary: Der Wehnelt-Zylinder ist eine zylindrische Elektrode, die zur Fokussierung und Steuerung des Elektronenstrahls in Elektronenröhren verwendet wird.

Die Stärke des Magnetfelds und damit die Größe der Kreisbahn können durch Veränderung des Spulenstroms beeinflusst werden. Ein stärkeres Magnetfeld führt zu einer kleineren Kreisbahn, da die Lorentzkraft und die Magnetfeldstärke proportional zueinander sind.

Example: Erhöht man den Spulenstrom, wird das Magnetfeld stärker. Dies führt dazu, dass die Kreisbahn der Elektronen kleiner wird, da die Lorentzkraft zunimmt und die Elektronen stärker abgelenkt werden.