Helmholtz-Spule und Fadenstrahlrohr Grundlage der Helmholtz-Spule: Um eine stromdurchflossene Spule herum bildet sich ein Magnetfeld, das äußerlich dem eines Stabmagneten ähnelt, im Inneren aber homogen ist. (bei der, in der Skizze angegebenen Stromrichtung, handelt es sich um die technische Stromrichtung) Das Helmholtz-Spulenpaar selbst besteht aus zwei identischen Spulen, deren Abstand zueinander dem Spulenradius entspricht. Auch die Stromrichtung in beiden Spulen ist gleich. Daher können sich ihre Magnetfelder zu einem weitestgehend homogenen Feld im Zwischenraum überlagern. Das Fadenstrahlrohr: In unserem Versuch wurde ein Fadenstrahlrohr in dieses Feld gebracht. In diesem wird ein Elektronenstrahl durch ein Elektronenstrahlsystem erzeugt, der bei ausgeschaltetem Spulenstrom gerade nach oben auf die Glaswand trifft. Sichtbar wird er durch ein Gas im Glasgehäuse. Denn dessen Atome werden durch Kollisionen mit den Elektronen angeregt und geben die Energie, die beim Zurückfallen in den Grundzustand frei wird, in Form von Licht ab. Wird der Spulenstrom eingeschaltet, baut sich das magnetische Feld auf und die Elektronen werden (gemäß der Drei-Finger-Regel) abgelenkt. Da die dafür verantwortliche Lorentz-Kraft bekanntlich immer senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt, bewegen sie sich auf einer Kreisbahn, sodass der Elektronenstrahl nun einen Kreisausschnitt darstellt. Erhöht man den Spulenstrom und damit die magnetische Feldstärke, verringert sich der Radius dieser Kreisbahn und bei einer bestimmten Einstellung ist ein ganzer Kreis zu sehen (zumindest solange der Elektronenstrahl senkrecht zum Magnetfeld gerichtet ist). Denn, da auf der Kreisbahn die Lorentz-Kraft als Zentripetalkraft wirkt, gilt für den Radius r: FL = FZ r= Die zur Berechnung notwendige Geschwindigkeit v der Elektronen kann mithilfe der Beschleunigungsspannung UB wie folgt berechnet werden: Ekin = Wel B √ B Erklärung: Beim Austritt aus dem Elektronenstrahlsystem wird die elektrische Energie der Elektronen vollständig in kinetische Energie umgewandelt, nachdem sie die Beschleunigungsspannung durchlaufen haben. Die Spiral-/ Schraubenlinie: Tritt der Elektronenstrahl nicht mehr senkrecht zum Magnetfeld aus, nimmt er die Form einer Spirale an. Dies lässt sich damit erklären, dass sich die Bewegung der Elektronen (bei einem Austritt im Winkel 0°<α<90° zwischen dem Strahl und der Richtung des Spulenfeldes) in mehrere Vektoren einteilen lässt – einen in Richtung des Magnetfeldes und einen senkrecht dazu. Der senkrechte Vektor wird wie oben beschrieben von der Lorentz-Kraft beeinflusst und begründet somit die Kreisbewegung. Der zweite Vektor hingegen erfährt keine Lorentz-Kraft, da er parallel zum Magnetfeld gerichtet ist. Die Bewegung zur Seite erfolgt also mit konstanter Geschwindigkeit, während gleichzeitig eine Kreisbewegung stattfindet.