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Physik · Klasse 12 · Kapitel

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Q2: Bewegung geladener Teilchen in Feldern

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich kann die Geschwindigkeit geladener Teilchen nach der Beschleunigung im Längsfeld mit dem Energieansatz berechnen.

MerkenLängsfeld 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.

BeispielBeschleunigung im Längsfeld

Ein Elektron startet in Ruhe und durchläuft die Beschleunigungsspannung U_B = 120 V. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s, drei gültige Ziffern.
KathodeAnodeU_BU_B = 120 VElektron startet in Ruhev = ?
Schritt für Schritt
  1. Aus der Energie: v = √2 · e · U_B : m
  2. v = √2 · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 120 V : 9,109 · 10⁻³¹ kg
  3. v = 6,5 · 10⁶ m/s = 6500 km/s
  1. Aus der Energie: v = √2 · e · U_B : m
  2. v = √2 · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 120 V : 9,109 · 10⁻³¹ kg
  3. v = 6,5 · 10⁶ m/s = 6500 km/s
Ergebnis:
6500 km/s

AchtungDen Faktor ½ vergessen

So nicht
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = 2 kg · (3 m/s)² = 18 J
So richtig
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = 9 J

Schreib die Formel ganz hin: E = ½ · m · v². Nimm am Ende die Hälfte.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Ein Elektron startet in Ruhe und durchläuft die Beschleunigungsspannung U_B = 4000 V. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s, drei gültige Ziffern.
    KathodeAnodeU_BU_B = 4000 VElektron startet in Ruhev = ?
    So fängst du an:
    Aus der Energie: v = √2 · e · U_B : m
    Lösung zeigen
    1. Aus der Energie: v = √2 · e · U_B : m
    2. v = √2 · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 4000 V : 9,109 · 10⁻³¹ kg
    3. v = 3,75 · 10⁷ m/s = 37.500 km/s
    Ergebnis:
    37.500 km/s
  2. ●2
    Ein Elektron startet in Ruhe und durchläuft die Beschleunigungsspannung U_B = 2000 V. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s, drei gültige Ziffern.
    KathodeAnodeU_BU_B = 2000 VElektron startet in Ruhev = ?
    Lösung zeigen
    1. Aus der Energie: v = √2 · e · U_B : m
    2. v = √2 · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 2000 V : 9,109 · 10⁻³¹ kg
    3. v = 2,65 · 10⁷ m/s = 26.500 km/s
    Ergebnis:
    26.500 km/s
  3. ★3
    Ein Heliumkern (Q = 2e, m = 6,64 · 10⁻²⁷ kg) durchläuft aus der Ruhe die Spannung U = 2 kV. Berechne v in km/s, drei gültige Ziffern.
    KathodeAnodeU_BQ = 2eU = 2 kVv = ?
    Lösung zeigen
    1. v = √2 · Q · U : m
    2. Q = 2e, U = 2 kV
    3. v = 4,39 · 10⁵ m/s = 439 km/s
    Ergebnis:
    439 km/s

2Ich kann die Bahn eines Elektrons im elektrischen Querfeld als Überlagerung zweier Bewegungen beschreiben.

MerkenDas 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.

BeispielBahn im elektrischen Querfeld

Im Lehrerversuch läuft eine Elektronenstrahlröhre mit 100 V an der Anode. Woher kommen die freien Elektronen?
KathodeAnodeU_BKathode wird geheiztHerkunft der Elektronen?
Schritt für Schritt
  1. In einem Metall sind Elektronen frei beweglich, verlassen es aber nicht.
  2. Wird die Kathode stark geheizt, haben einige genug Energie zum Austreten: Glühemission.
  3. Also: aus der geheizten Kathode, durch Glühemission
  1. In einem Metall sind Elektronen frei beweglich, verlassen es aber nicht.
  2. Wird die Kathode stark geheizt, haben einige genug Energie zum Austreten: Glühemission.
  3. Also: aus der geheizten Kathode, durch Glühemission
Ergebnis:
aus der geheizten Kathode, durch Glühemission

AchtungEinheiten nicht angeglichen

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

Rechne zuerst alle Angaben in die Einheiten der Formel um.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Ein Elektron fliegt quer durch Ablenkplatten mit 400 V. Welche zwei Bewegungen überlagern sich?
    +−dElektron quer im Feldzwei Bewegungen?
    So fängst du an:
    Frag für jede Richtung, ob dort eine Kraft wirkt.
    Lösung zeigen
    1. Frag für jede Richtung, ob dort eine Kraft wirkt.
    2. Längs keine Kraft, quer eine konstante Kraft.
    3. Also: gleichförmig in Flugrichtung, gleichmäßig beschleunigt quer dazu
    Ergebnis:
    gleichförmig in Flugrichtung, gleichmäßig beschleunigt quer dazu
  2. ●5
    Ein Elektron wird zwischen Platten mit 400 V abgelenkt. Wie fliegt es weiter, nachdem es die Platten verlassen hat?
    +−dElektron verlässt das FeldBahn danach?
    Lösung zeigen
    1. Außerhalb der Platten ist kein Feld, also keine Kraft.
    2. Ohne Kraft fliegt es gleichförmig geradeaus, in der Richtung am Rand.
    3. Also: geradlinig, in der Richtung, die es am Rand hatte
    Ergebnis:
    geradlinig, in der Richtung, die es am Rand hatte
  3. ★6
    Statt eines Elektrons fliegt ein Proton mit derselben Geschwindigkeit von 2 · 10⁶ m/s in dasselbe Querfeld. Was ändert sich?
    +−dProton statt ElektronAblenkung?
    Lösung zeigen
    1. Die Kraft ist e · E, die Beschleunigung a = e · E : m.
    2. Andere Ladung heißt andere Richtung, größere Masse heißt kleinere Beschleunigung.
    3. Also: Es wird in Gegenrichtung und viel schwächer abgelenkt.
    Ergebnis:
    Es wird in Gegenrichtung und viel schwächer abgelenkt.

3Ich kann Kreisbahnen geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld mit dem Kraftansatz berechnen.

MerkenKreisbahn 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.

BeispielRadius der Kreisbahn im Magnetfeld

Ein Elektron fliegt mit v = 10 · 10⁶ m/s senkrecht in ein homogenes Magnetfeld mit B = 4 mT. Berechne den Bahnradius in cm, drei gültige Ziffern.
rv = 10 · 10⁶ m/sB = 4 mTr = ?
Schritt für Schritt
  1. m · v² : r = e · v · B, also r = m · v : (e · B)
  2. B = 0,004 T, m = 9,109 · 10⁻³¹ kg
  3. r = 1,42 · 10⁻² m = 1,42 cm
  1. m · v² : r = e · v · B, also r = m · v : (e · B)
  2. B = 0,004 T, m = 9,109 · 10⁻³¹ kg
  3. r = 1,42 · 10⁻² m = 1,42 cm
Ergebnis:
1,42 cm

AchtungUmrechnungszahl falsch

So nicht
2,5 km = 250 m
So richtig
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Schreib den Vorsatz als Zahl: k heißt 1000, m heißt ein Tausendstel.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Elektron fliegt mit v = 4 · 10⁶ m/s senkrecht in ein homogenes Magnetfeld mit B = 3 mT. Berechne den Bahnradius in cm, drei gültige Ziffern.
    rv = 4 · 10⁶ m/sB = 3 mTr = ?
    So fängst du an:
    m · v² : r = e · v · B, also r = m · v : (e · B)
    Lösung zeigen
    1. m · v² : r = e · v · B, also r = m · v : (e · B)
    2. B = 0,003 T, m = 9,109 · 10⁻³¹ kg
    3. r = 7,58 · 10⁻³ m = 0,758 cm
    Ergebnis:
    0,758 cm
  2. ●8
    Ein Elektron fliegt mit v = 4 · 10⁶ m/s senkrecht in ein homogenes Magnetfeld mit B = 2 mT. Berechne den Bahnradius in cm, drei gültige Ziffern.
    rv = 4 · 10⁶ m/sB = 2 mTr = ?
    Lösung zeigen
    1. m · v² : r = e · v · B, also r = m · v : (e · B)
    2. B = 0,002 T, m = 9,109 · 10⁻³¹ kg
    3. r = 1,14 · 10⁻² m = 1,14 cm
    Ergebnis:
    1,14 cm
  3. ★9
    Elektronen werden mit U_B = 300 V beschleunigt und fliegen senkrecht in ein Magnetfeld mit B = 0,5 mT. Berechne den Bahnradius in cm, drei gültige Ziffern.
    rU_B = 300 VB = 0,5 mTr = ?
    Lösung zeigen
    1. v = √2 · e · U_B : m, dann r = m · v : (e · B)
    2. v = 1,03 · 10⁷ m/s
    3. r = 1,17 · 10⁻¹ m = 11,7 cm
    Ergebnis:
    11,7 cm

4Ich kann die spezifische Ladung des Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr bestimmen.

MerkenSpezifische Ladung

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

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

BeispielSpezifische Ladung des Elektrons

Lehrerversuch am Fadenstrahlrohr: U_B = 200 V, B = 0,8 mT, gemessener Kreisradius r = 6 cm. Bestimme die spezifische Ladung e/m des Elektrons.
rU_B = 200 VB = 0,8 mTr = 6 cme/m = ?
Schritt für Schritt
  1. Energieansatz e · U = ½ · m · v² und Kraftansatz m · v² : r = e · v · B
  2. Daraus e : m = 2 · U : (B² · r²) = 2 · 200 V : ((0,0008 T)² · (0,06 m)²)
  3. Also: e/m = 1,74 · 10¹¹ C/kg
  1. Energieansatz e · U = ½ · m · v² und Kraftansatz m · v² : r = e · v · B
  2. Daraus e : m = 2 · U : (B² · r²) = 2 · 200 V : ((0,0008 T)² · (0,06 m)²)
  3. Also: e/m = 1,74 · 10¹¹ C/kg
Ergebnis:
e/m = 1,74 · 10¹¹ C/kg

AchtungDie Wurzel vergessen

So nicht
v² = 2 · 10 N/kg · 5 m = 100, also v = 100 m/s
So richtig
v² = 100 m²/s², also v = √(100 m²/s²) = 10 m/s

Schau auf die Einheit: m²/s² heißt, es ist noch v². Erst die Wurzel daraus ist v.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Lehrerversuch am Fadenstrahlrohr: U_B = 300 V, B = 1 mT, gemessener Kreisradius r = 5,8 cm. Bestimme die spezifische Ladung e/m des Elektrons.
    rU_B = 300 VB = 1 mTr = 5,8 cme/m = ?
    So fängst du an:
    Energieansatz e · U = ½ · m · v² und Kraftansatz m · v² : r = e · v · B
    Lösung zeigen
    1. Energieansatz e · U = ½ · m · v² und Kraftansatz m · v² : r = e · v · B
    2. Daraus e : m = 2 · U : (B² · r²) = 2 · 300 V : ((0,001 T)² · (0,058 m)²)
    3. Also: e/m = 1,78 · 10¹¹ C/kg
    Ergebnis:
    e/m = 1,78 · 10¹¹ C/kg
  2. ●11
    Lehrerversuch am Fadenstrahlrohr: U_B = 200 V, B = 1 mT, gemessener Kreisradius r = 4,8 cm. Bestimme die spezifische Ladung e/m des Elektrons.
    rU_B = 200 VB = 1 mTr = 4,8 cme/m = ?
    Lösung zeigen
    1. Energieansatz e · U = ½ · m · v² und Kraftansatz m · v² : r = e · v · B
    2. Daraus e : m = 2 · U : (B² · r²) = 2 · 200 V : ((0,001 T)² · (0,048 m)²)
    3. Also: e/m = 1,74 · 10¹¹ C/kg
    Ergebnis:
    e/m = 1,74 · 10¹¹ C/kg
  3. ★12
    Lehrerversuch am Fadenstrahlrohr, B = 1,5 mT: bei 150 V ist r = 2,8 cm, bei 300 V ist r = 3,9 cm. Bestimme e/m als Mittelwert.
    rB = 1,5 mT150 V: r = 2,8 cm300 V: r = 3,9 cme/m = ?
    Lösung zeigen
    1. e : m = 2 · U_B : (B² · r²) für jede Messung
    2. Messung 1: 1,7 · 10¹¹ C/kg, Messung 2: 1,75 · 10¹¹ C/kg
    3. Also: e/m = 1,73 · 10¹¹ C/kg
    Ergebnis:
    e/m = 1,73 · 10¹¹ C/kg

5Ich kann das Millikan-Experiment im Schwebefall mit einem Kraftansatz auswerten.

MerkenMillikan-Experiment

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

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

BeispielMillikan-Versuch im Schwebefall

Ein Öltröpfchen mit m = 1,47 · 10⁻¹⁵ kg schwebt bei U = 300 V zwischen Platten im Abstand d = 10 mm. Bestimme seine Ladung als Vielfaches von e.
+−dm = 1,47 · 10⁻¹⁵ kgU = 300 Vd = 10 mmQ = ?
Schritt für Schritt
  1. Schweben: Q · U : d = m · g, also Q = m · g · d : U
  2. Q = 4,81 · 10⁻¹⁹ C
  3. Q : e = 4,81 · 10⁻¹⁹ C : 1,602 · 10⁻¹⁹ C = 3, also Q = 3 e
  1. Schweben: Q · U : d = m · g, also Q = m · g · d : U
  2. Q = 4,81 · 10⁻¹⁹ C
  3. Q : e = 4,81 · 10⁻¹⁹ C : 1,602 · 10⁻¹⁹ C = 3, also Q = 3 e
Ergebnis:
3 e

AchtungGrößen verwechselt

So nicht
Masse = 50 N
So richtig
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N

Schreib zuerst auf: gegeben und gesucht, jeweils mit Formelzeichen und Einheit.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Ein Öltröpfchen mit m = 1,53 · 10⁻¹⁵ kg schwebt bei U = 250 V zwischen Platten im Abstand d = 8 mm. Bestimme seine Ladung als Vielfaches von e.
    +−dm = 1,53 · 10⁻¹⁵ kgU = 250 Vd = 8 mmQ = ?
    So fängst du an:
    Schweben: Q · U : d = m · g, also Q = m · g · d : U
    Lösung zeigen
    1. Schweben: Q · U : d = m · g, also Q = m · g · d : U
    2. Q = 4,8 · 10⁻¹⁹ C
    3. Q : e = 4,8 · 10⁻¹⁹ C : 1,602 · 10⁻¹⁹ C = 3, also Q = 3 e
    Ergebnis:
    3 e
  2. ●14
    Ein Öltröpfchen mit m = 8,17 · 10⁻¹⁵ kg schwebt bei U = 400 V zwischen Platten im Abstand d = 4 mm. Bestimme seine Ladung als Vielfaches von e.
    +−dm = 8,17 · 10⁻¹⁵ kgU = 400 Vd = 4 mmQ = ?
    Lösung zeigen
    1. Schweben: Q · U : d = m · g, also Q = m · g · d : U
    2. Q = 8,01 · 10⁻¹⁹ C
    3. Q : e = 8,01 · 10⁻¹⁹ C : 1,602 · 10⁻¹⁹ C = 5, also Q = 5 e
    Ergebnis:
    5 e
  3. ★15
    Ein Öltröpfchen mit m = 2,45 · 10⁻¹⁵ kg trägt 6 Elementarladungen. Bei welcher Spannung schwebt es zwischen Platten im Abstand d = 8 mm? Berechne U.
    +−dm = 2,45 · 10⁻¹⁵ kgQ = 6 ed = 8 mmU = ?
    Lösung zeigen
    1. Schweben: Q · U : d = m · g, also U = m · g · d : Q
    2. Q = 6 · 1,602 · 10⁻¹⁹ C, d = 0,008 m
    3. U = 200 V
    Ergebnis:
    200 V

6Ich kann die Bahnkurve im elektrischen Querfeld mathematisch beschreiben.

MerkenBahnkurve 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).

BeispielAblenkung im Querfeld berechnen

Ein Elektron fliegt mit v = 3 · 10⁷ m/s ins Querfeld: U = 100 V, d = 4 cm, l = 8 cm. Berechne die Ablenkung am Plattenende in mm.
+−dv = 3 · 10⁷ m/sU = 100 V, d = 4 cml = 8 cmy = ?
Schritt für Schritt
  1. a = e · U : (m · d), t = l : v, y = ½ · a · t²
  2. a = 4,4 · 10¹⁴ m/s², t = 2,67 · 10⁻⁹ s
  3. y = 0,5 · 4,4 · 10¹⁴ m/s² · (2,67 · 10⁻⁹ s)² = 1,56 mm
  1. a = e · U : (m · d), t = l : v, y = ½ · a · t²
  2. a = 4,4 · 10¹⁴ m/s², t = 2,67 · 10⁻⁹ s
  3. y = 0,5 · 4,4 · 10¹⁴ m/s² · (2,67 · 10⁻⁹ s)² = 1,56 mm
Ergebnis:
1,56 mm

AchtungDas Quadrat vergessen

So nicht
m = 2 kg, v = 3 m/s: E = ½ · 2 kg · 3 m/s = 3 J
So richtig
E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = ½ · 2 kg · 9 m²/s² = 9 J

Rechne zuerst v² = v · v aus und schreib die Zeile hin.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Ein Elektron fliegt mit v = 3 · 10⁷ m/s ins Querfeld: U = 50 V, d = 3 cm, l = 4 cm. Berechne die Ablenkung am Plattenende in mm.
    +−dv = 3 · 10⁷ m/sU = 50 V, d = 3 cml = 4 cmy = ?
    So fängst du an:
    a = e · U : (m · d), t = l : v, y = ½ · a · t²
    Lösung zeigen
    1. a = e · U : (m · d), t = l : v, y = ½ · a · t²
    2. a = 2,93 · 10¹⁴ m/s², t = 1,33 · 10⁻⁹ s
    3. y = 0,5 · 2,93 · 10¹⁴ m/s² · (1,33 · 10⁻⁹ s)² = 0,261 mm
    Ergebnis:
    0,261 mm
  2. ●17
    Ein Elektron fliegt mit v = 2 · 10⁷ m/s ins Querfeld: U = 200 V, d = 2 cm, l = 4 cm. Berechne die Ablenkung am Plattenende in mm.
    +−dv = 2 · 10⁷ m/sU = 200 V, d = 2 cml = 4 cmy = ?
    Lösung zeigen
    1. a = e · U : (m · d), t = l : v, y = ½ · a · t²
    2. a = 1,76 · 10¹⁵ m/s², t = 2 · 10⁻⁹ s
    3. y = 0,5 · 1,76 · 10¹⁵ m/s² · (2 · 10⁻⁹ s)² = 3,52 mm
    Ergebnis:
    3,52 mm
  3. ★18
    Elektronen mit U_B = 2000 V fliegen quer in einen Kondensator: U = 50 V, d = 2 cm, l = 8 cm. Berechne die Ablenkung am Plattenende in mm.
    +−dU_B = 2000 VU = 50 V, d = 2 cml = 8 cmy = ?
    Lösung zeigen
    1. y = ½ · (e · U : (m · d)) · (l : v)² mit v² = 2 · e · U_B : m
    2. Eingesetzt: y = U · l² : (4 · U_B · d), e und m kürzen sich
    3. y = 50 V · (8 cm)² : (4 · 2000 V · 2 cm) = 2 mm
    Ergebnis:
    2 mm

7Ich kann Geschwindigkeitsfilter und Hall-Effekt mit dem Kraftansatz Q · E = Q · v · B auswerten.

MerkenGekreuzte 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.

BeispielGeschwindigkeitsfilter

Im Geschwindigkeitsfilter stehen E- und B-Feld senkrecht: U = 100 V, d = 5 cm, B = 2 mT. Welche Teilchen fliegen gerade durch? Berechne v in km/s.
+−U = 100 V, d = 5 cmB = 2 mTv = ?
Schritt für Schritt
  1. Q · E = Q · v · B, also v = E : B
  2. E = U : d = 2000 V/m
  3. v = 2000 V/m : 0,002 T = 1000 km/s
  1. Q · E = Q · v · B, also v = E : B
  2. E = U : d = 2000 V/m
  3. v = 2000 V/m : 0,002 T = 1000 km/s
Ergebnis:
1000 km/s

AchtungEinheit vergessen

So nicht
ρ = 54 : 20 = 2,7
So richtig
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

Schreib hinter jede Zahl ihre Einheit, auch hinter das Ergebnis.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Im Geschwindigkeitsfilter stehen E- und B-Feld senkrecht: U = 500 V, d = 5 cm, B = 1 mT. Welche Teilchen fliegen gerade durch? Berechne v in km/s.
    +−U = 500 V, d = 5 cmB = 1 mTv = ?
    So fängst du an:
    Q · E = Q · v · B, also v = E : B
    Lösung zeigen
    1. Q · E = Q · v · B, also v = E : B
    2. E = U : d = 10.000 V/m
    3. v = 10.000 V/m : 0,001 T = 10.000 km/s
    Ergebnis:
    10.000 km/s
  2. ●20
    Im Geschwindigkeitsfilter stehen E- und B-Feld senkrecht: U = 1000 V, d = 5 cm, B = 5 mT. Welche Teilchen fliegen gerade durch? Berechne v in km/s.
    +−U = 1000 V, d = 5 cmB = 5 mTv = ?
    Lösung zeigen
    1. Q · E = Q · v · B, also v = E : B
    2. E = U : d = 20.000 V/m
    3. v = 20.000 V/m : 0,005 T = 4000 km/s
    Ergebnis:
    4000 km/s
  3. ★21
    Ein Geschwindigkeitsfilter mit B = 4 mT und Plattenabstand d = 5 cm soll Ionen mit v = 2000 km/s durchlassen. Berechne die nötige Spannung.
    +−B = 4 mTd = 5 cmv = 2000 km/sU = ?
    Lösung zeigen
    1. Q · E = Q · v · B, also E = v · B und U = v · B · d
    2. v = 2 · 10⁶ m/s, B = 0,004 T, d = 0,05 m
    3. U = 400 V
    Ergebnis:
    400 V

8Ich kann die Ablenkung bei beliebigem Eintrittswinkel berechnen und die relativistische Massenzunahme berücksichtigen.

MerkenSchräger 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).

BeispielSchraubenbahn bei schrägem Eintritt

Ein Elektron tritt mit v = 5 · 10⁶ m/s unter α = 40° zu den Feldlinien in B = 4 mT ein. Berechne den Radius der Schraubenbahn in cm.
Bv = 5 · 10⁶ m/sα = 40°B = 4 mTr = ?
Schritt für Schritt
  1. Nur v · sin α steht senkrecht zu B: r = m · v · sin α : (e · B)
  2. v · sin α = 3,21 · 10⁶ m/s, B = 0,004 T
  3. r = 0,457 cm
  1. Nur v · sin α steht senkrecht zu B: r = m · v · sin α : (e · B)
  2. v · sin α = 3,21 · 10⁶ m/s, B = 0,004 T
  3. r = 0,457 cm
Ergebnis:
0,457 cm

AchtungWinkel zwischen v und B vergessen

So nicht
r = m · v : (e · B) bei schrägem Eintritt
So richtig
r = m · v · sin α : (e · B): nur der Anteil quer zu B zählt

Zerlege v in einen Anteil längs und einen quer zu B. Nur der Anteil quer zählt.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Ein Elektron tritt mit v = 2 · 10⁶ m/s unter α = 45° zu den Feldlinien in B = 4 mT ein. Berechne den Radius der Schraubenbahn in cm.
    Bv = 2 · 10⁶ m/sα = 45°B = 4 mTr = ?
    So fängst du an:
    Nur v · sin α steht senkrecht zu B: r = m · v · sin α : (e · B)
    Lösung zeigen
    1. Nur v · sin α steht senkrecht zu B: r = m · v · sin α : (e · B)
    2. v · sin α = 1,41 · 10⁶ m/s, B = 0,004 T
    3. r = 0,201 cm
    Ergebnis:
    0,201 cm
  2. ●23
    Ein Elektron tritt mit v = 6 · 10⁶ m/s unter α = 20° zu den Feldlinien in B = 1 mT ein. Berechne den Radius der Schraubenbahn in cm.
    Bv = 6 · 10⁶ m/sα = 20°B = 1 mTr = ?
    Lösung zeigen
    1. Nur v · sin α steht senkrecht zu B: r = m · v · sin α : (e · B)
    2. v · sin α = 2,05 · 10⁶ m/s, B = 0,001 T
    3. r = 1,17 cm
    Ergebnis:
    1,17 cm
  3. ★24
    Ein Elektron tritt mit v = 3 · 10⁶ m/s unter α = 50° zu den Feldlinien in B = 2 mT ein. Berechne die Ganghöhe der Schraubenbahn in cm.
    Bv = 3 · 10⁶ m/sα = 50°B = 2 mTp = ?
    Lösung zeigen
    1. Ganghöhe p = v · cos α · T mit T = 2π · m : (e · B)
    2. T = 1,79 · 10⁻⁸ s, v · cos α = 1,93 · 10⁶ m/s
    3. p = 3,44 cm
    Ergebnis:
    3,44 cm

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●25
    Ein Elektron startet in Ruhe und durchläuft die Beschleunigungsspannung U_B = 400 V. Berechne seine Geschwindigkeit in km/s, drei gültige Ziffern.
    KathodeAnodeU_BU_B = 400 VElektron startet in Ruhev = ?
    Lösung zeigen
    1. Aus der Energie: v = √2 · e · U_B : m
    2. v = √2 · 1,602 · 10⁻¹⁹ C · 400 V : 9,109 · 10⁻³¹ kg
    3. v = 1,19 · 10⁷ m/s = 11.900 km/s
    Ergebnis:
    11.900 km/s
  2. ●26
    Ein Elektron soll aus der Ruhe auf v = 800 km/s beschleunigt werden. Berechne die nötige Beschleunigungsspannung in V, drei gültige Ziffern.
    KathodeAnodeU_BElektronv = 800 km/sU_B = ?
    Lösung zeigen
    1. Aus der Energie: U_B = m · v² : (2 · e)
    2. v = 8 · 10⁵ m/s, m = 9,109 · 10⁻³¹ kg
    3. U_B = 1,82 V
    Ergebnis:
    1,82 V

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Längsfeld und Energieansatz
Die Arbeit des Felds wird zur Bewegungsenergie: Q · U = ½ · m · v².
Das Querfeld
Im Querfeld bewegt sich das Elektron längs gleichförmig, quer gleichmäßig beschleunigt.
Kreisbahn im Magnetfeld
Die Lorentzkraft ist die Zentripetalkraft.
Spezifische Ladung
Energieansatz und Kraftansatz zusammen ergeben e : m = 2 · U_B : (B² · r²).
Millikan-Experiment
Ein Tröpfchen schwebt, wenn Q · U : d = m · g gilt.
Bahnkurve im Querfeld
Mit a = Q · U : (m · d) und t = l : v ist die Ablenkung y = ½ · a · t².
Gekreuzte Felder
Heben sich elektrische Kraft und Lorentzkraft auf, fliegt die Ladung mit v = E : B gerade.
Schräger Eintritt und schnelle Teilchen
Nur v · sin α erzeugt die Lorentzkraft F = Q · v · B · sin α, die Bahn wird eine Schraube.

Wörter

Vielfaches
das Ergebnis, wenn man mit einer ganzen Zahl malnimmt

Lösungen

  1. 37.500 km/s
  2. 26.500 km/s
  3. 439 km/s
  4. gleichförmig in Flugrichtung, gleichmäßig beschleunigt quer dazu
  5. geradlinig, in der Richtung, die es am Rand hatte
  6. Es wird in Gegenrichtung und viel schwächer abgelenkt.
  7. 0,758 cm
  8. 1,14 cm
  9. 11,7 cm
  10. e/m = 1,78 · 10¹¹ C/kg
  11. e/m = 1,74 · 10¹¹ C/kg
  12. e/m = 1,73 · 10¹¹ C/kg
  13. 3 e
  14. 5 e
  15. 200 V
  16. 0,261 mm
  17. 3,52 mm
  18. 2 mm
  19. 10.000 km/s
  20. 4000 km/s
  21. 400 V
  22. 0,201 cm
  23. 1,17 cm
  24. 3,44 cm
  25. 11.900 km/s
  26. 1,82 V