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Physik · Jahrgang 12 · Basiswissen

Physik Oberstufe: Geladene Teilchen in Feldern

Das lernst du

  1. Ich kann die Geschwindigkeit geladener Teilchen nach der Beschleunigung im Längsfeld mit dem Energieansatz berechnen.
  2. Ich kann die Bahn eines Elektrons im elektrischen Querfeld als Überlagerung zweier Bewegungen beschreiben.
  3. Ich kann Kreisbahnen geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld mit dem Kraftansatz berechnen.
  4. Ich kann die spezifische Ladung des Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr bestimmen.
  5. Ich kann das Millikan-Experiment im Schwebefall mit einem Kraftansatz auswerten.
  6. Ich kann die Bahnkurve im elektrischen Querfeld mathematisch beschreiben.
  7. Ich kann Geschwindigkeitsfilter und Hall-Effekt mit dem Kraftansatz Q · E = Q · v · B auswerten.
  8. Ich kann die Ablenkung bei beliebigem Eintrittswinkel berechnen und die relativistische Massenzunahme berücksichtigen.

Merksätze

Längsfeld und Energieansatz

Die Arbeit des Felds wird zur Bewegungsenergie: Q · U = ½ · m · v².

Aus der Ruhe folgt v = √(2 · Q · U : m). Kein Teilchen wird schneller als c₀.

Das Querfeld

Im Querfeld bewegt sich das Elektron längs gleichförmig, quer gleichmäßig beschleunigt.

Die Bahn ist eine Parabel wie beim waagerechten Wurf. Nach dem Feld fliegt es geradeaus weiter.

Kreisbahn im Magnetfeld

Die Lorentzkraft ist die Zentripetalkraft.

Aus m · v² : r = Q · v · B folgt r = m · v : (Q · B). Die Umlaufdauer T = 2π · m : (Q · B) hängt nicht von v ab.

Spezifische Ladung

Energieansatz und Kraftansatz zusammen ergeben e : m = 2 · U_B : (B² · r²).

Der Tabellenwert ist etwa 1,76 · 10¹¹ C/kg.

Millikan-Experiment

Ein Tröpfchen schwebt, wenn Q · U : d = m · g gilt.

Alle gemessenen Ladungen sind Vielfache der Elementarladung e ≈ 1,6 · 10⁻¹⁹ C.

Bahnkurve im Querfeld

Mit a = Q · U : (m · d) und t = l : v ist die Ablenkung y = ½ · a · t².

Nach Beschleunigung mit U_B gilt y = U · l² : (4 · U_B · d).

Gekreuzte Felder

Heben sich elektrische Kraft und Lorentzkraft auf, fliegt die Ladung mit v = E : B gerade.

Im Hall-Plättchen stellt sich so die Hall-Spannung U_H = b · v · B ein.

Schräger Eintritt und schnelle Teilchen

Nur v · sin α erzeugt die Lorentzkraft F = Q · v · B · sin α, die Bahn wird eine Schraube.

Schnelle Teilchen haben die Masse m = m₀ : √(1 − v² : c₀²).

Selbst abfragen

Karte 1 von 8 · Vorderseite
Physik Oberstufe: Geladene Teilchen in FeldernLängsfeld und EnergieansatzWas weißt du dazu? Erst selbst sagen, dann umdrehen.

Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.

So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart

Beschleunigung im Längsfeld

Ein Elektron startet in Ruhe und durchläuft die Beschleunigungsspannung U_B = 50 V. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s, drei gültige Ziffern.

KathodeAnodeU_BU_B = 50 VElektron startet in Ruhev = ?
  1. Aus der Energie: v = √2 · e · U_B : m
  2. v = √2 · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 50 V : 9,109 · 10⁻³¹ kg
  3. v = 4,19 · 10⁶ m/s = 4190 km/s

Ergebnis: 4190 km/s

Beschleunigungsspannung

Ein Elektron soll aus der Ruhe auf v = 500 km/s beschleunigt werden. Berechne die nötige Beschleunigungsspannung in V, drei gültige Ziffern.

KathodeAnodeU_BElektronv = 500 km/sU_B = ?
  1. Aus der Energie: U_B = m · v² : (2 · e)
  2. v = 5 · 10⁵ m/s, m = 9,109 · 10⁻³¹ kg
  3. U_B = 0,711 V

Ergebnis: 0,711 V

Bahn im elektrischen Querfeld

Ein Elektron fliegt waagerecht zwischen zwei waagerechte Platten mit 100 V, oben ist Plus. Welche Bahn beschreibt es zwischen den Platten?

+−dElektron waagerecht hineinoben PlusBahn?
  1. In Flugrichtung bleibt die Geschwindigkeit, quer wirkt eine konstante Kraft.
  2. Gleichförmig plus beschleunigt ergibt eine Parabel, zur Plusplatte hin.
  3. Also: eine nach oben gekrümmte Parabel

Ergebnis: eine nach oben gekrümmte Parabel

Flugzeit im Querfeld

Ein Elektron fliegt mit v = 1 · 10⁷ m/s quer in einen Plattenkondensator der Länge l = 3 cm. Wie lange ist es zwischen den Platten? Berechne t in ns.

+−dv = 1 · 10⁷ m/sl = 3 cmt = ?
  1. t = l : v
  2. l = 0,03 m, v = 1 · 10⁷ m/s
  3. t = 3 · 10⁻⁹ s = 3 ns

Ergebnis: 3 ns

Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig

Bewegung im Querfeld nicht zerlegt
Im Querfeld wird das Elektron in Flugrichtung gebremst.
längs: v_x = konstant; quer: a = e · E : m, gleichmäßig beschleunigt

Zerlege die Bewegung in zwei Richtungen. In Flugrichtung wirkt keine Kraft, quer dazu wird das Teilchen gleichmäßig beschleunigt.

Bahnformen im elektrischen und magnetischen Feld verwechselt
Im elektrischen Querfeld fliegt das Elektron auf einem Kreisbogen.
elektrisches Querfeld → Wurfbahn; Magnetfeld → Kreis

Im elektrischen Feld hat die Kraft immer dieselbe Richtung: Parabel. Im Magnetfeld steht sie immer senkrecht zu v: Kreis.

Geschwindigkeit über c₀ hinaus gerechnet
U = 1 MV: v = 5,9 · 10⁸ m/s, schneller als Licht
klassisch v > c₀ → Ansatz gilt nicht mehr, tatsächlich v < c₀

Kein Teilchen mit Masse wird so schnell wie das Licht. Nahe c₀ wächst vor allem seine Masse.

Kleinsten Messwert für die Elementarladung gehalten
kleinster Messwert 3,2 · 10⁻¹⁹ C, also e = 3,2 · 10⁻¹⁹ C
3,2; 4,8; 6,4 sind 2, 3, 4 mal 1,6: e = 1,6 · 10⁻¹⁹ C

Der kleinste Messwert kann selbst ein Vielfaches sein. Gesucht ist die größte Zahl, die in allen Werten ganz aufgeht.

Winkel zwischen v und B vergessen
r = m · v : (e · B) bei schrägem Eintritt
r = m · v · sin α : (e · B): nur der Anteil quer zu B zählt

Nur der Anteil der Geschwindigkeit quer zu B erzeugt die Lorentzkraft. Nimm v · sin α.

Winkelfunktion falsch zugeordnet
tan α = B_E : B_Sp, also B_E = B_Sp · tan α
tan α = Gegenkathete : Ankathete = B_Sp : B_E

Zeichne das rechtwinklige Dreieck der Pfeile. Gegenkathete zum Winkel durch Ankathete ist der Tangens, Gegenkathete durch Hypotenuse der Sinus.

Die Wurfkraft steckt im Körper
Im höchsten Punkt wirkt noch die Wurfkraft nach oben.
nach dem Loslassen → nur F = Gewichtskraft nach unten (ohne Luftwiderstand)

Die Hand schiebt nur, solange sie den Ball berührt. Danach zieht nur noch die Erde am Ball – nach unten, auf dem ganzen Weg.

Feldlinie als Bahn gelesen
Das Elektron fliegt im Kondensator auf der Feldlinie zur Platte.
Feldlinie → Richtung der Kraft; quer hineingeflogen → gekrümmte Bahn wie beim waagerechten Wurf

Eine Feldlinie zeigt die Richtung der Kraft, nicht die Bahn. Wohin das Teilchen fliegt, hängt auch von seiner Geschwindigkeit ab.

Kraft auf negative Ladung in Feldrichtung
Feld nach unten, also Kraft auf das Elektron nach unten
Feld nach unten → Kraft auf Plus nach unten, auf das Elektron nach oben

Die Feldlinie zeigt die Kraft auf eine positive Ladung. Auf eine negative Ladung wirkt die Kraft genau entgegengesetzt.

Lorentzkraft ändere den Betrag der Geschwindigkeit
Die Lorentzkraft macht das Elektron schneller.
F senkrecht zu v → W = 0 J: Richtung ändert sich, Betrag bleibt

Die Lorentzkraft steht immer senkrecht zur Bewegung. Sie lenkt das Teilchen um, schneller oder langsamer wird es nicht.

Ladung des Teilchens übersehen
Heliumkern durch 5 kV: W = 5 keV
Heliumkern mit Q = 2e durch 5 kV: W = 2 · 5 keV = 10 keV

Nicht jedes Teilchen trägt genau eine Elementarladung. Ein Heliumkern trägt 2e, ein Tröpfchen ein Vielfaches.

Den Faktor ½ vergessen
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = 2 kg · (3 m/s)² = 18 J
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = 9 J

In der Formel für die Bewegungsenergie steht ein halb: E = ½ · m · v². Du musst am Ende die Hälfte nehmen.

Das Quadrat vergessen
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = ½ · 2 kg · 3 m/s = 3 J
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = ½ · 2 kg · 9 m²/s² = 9 J

Die Geschwindigkeit steht im Quadrat: v² heißt v mal v. Rechne v² zuerst aus, dann hast du den Rest schnell.

Die Wurzel vergessen
v² = 2 · 10 N/kg · 5 m = 100, also v = 100 m/s
v² = 100 m²/s², also v = √(100 m²/s²) = 10 m/s

Du hast v² ausgerechnet, nicht v. Zieh am Ende noch die Wurzel.

Größen verwechselt
Masse = 50 N
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N

Hier sind zwei Größen vertauscht. Schreib zuerst auf: Gegeben ist …, gesucht ist … – mit Formelzeichen.

Umrechnungszahl falsch
2,5 km = 250 m
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Die Umrechnungszahl stimmt nicht. k heißt 1000, m (milli) heißt ein Tausendstel. Bei cm² sind es 10 000 für einen m².

Einheiten nicht angeglichen
p = 200 N : 50 cm² = 4 Pa
50 cm² = 0,005 m², p = 200 N : 0,005 m² = 40 000 Pa

Die Angaben passen noch nicht zusammen. Rechne zuerst in die Einheiten der Formel um, dann setz ein.

Formel falsch umgestellt
V = ρ · m
ρ = m : V   | · V   | : ρ   →   V = m : ρ

Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.

Zwischenergebnis als Antwort
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe

Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.

Einheit vergessen
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.

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