P3.8.3.2 - LD Didactic
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Elektronik Bewegte Ladungsträger im Vakuum Schattenkreuzröhre LD Handblätter Physik P3.8.3.2 Ablenkung von Elektronen in einem axialen magnetischen Feld Versuchsziele Demonstration der Ablenkung eines divergenten Elektronenstrahls in einem axialen magnetischen Feld Fokussierung eines divergenten Elektronenstrahlbündels durch ein axiales magnetisches Feld Grundlagen Die Schattenkreuzröhre dient zur Demonstration der geradlinigen Ausbreitung von Elektronen im feldfreien Raum. Die Existenz von Katodenstrahlen wurde in Experimenten mit der Röhrendiode und der Röhrentriode qualitativ untersucht. In der Schattenkreuzröhre werden Elektronen von der Anode zu einem Leuchtschirm beschleunigt und dort als Leuchterscheinung beobachtet. Die Elektronenkanone erzeugt ein divergentes Elektronenbündel, das den zwischen Leuchtschirm und Elektronenkanone angeordneten Schattenkörper auf dem Leuchtschirm abbildet. Zwischen der Anode und dem Leuchtschirm befindet sich ein Malteserkreuz, dessen Schatten auf dem Leuchtschirm zu sehen ist. Das Malteserkreuz kann durch einen separaten Anschluss auf beliebiges Potential gelegt werden. CS-1006 Im Versuch wird die Ablenkung von Elektronen in einem axialen magnetischen Feld gezeigt, das von einem Helmholtzspulenpaar erzeugt wird. Die Elektronenkanone emittiert ein divergentes Strahlbündel; die Elektronenbahnen verlaufen daher schräg zu den Magnetfeldlinien. Der Geschwindigkeitsanteil senkrecht zu den Magnetfeldlinien führt aufgrund der Lorentzkraft zu einer Ablenkung senkrecht zu den Magnetfeldlinien. Die Geschwindigkeitskomponente parallel zum Feld bleibt jedoch unverändert. Das Elektron bewegt sich daher auf einer schraubenförmigen Bahn. Der Radius der Bahn und die Winkelgeschwindigkeit des Elektrons auf dieser Bahn hängen von der Größe des Magnetfeldes, Geschwindigkeit der Elektronen und vom Winkel zwischen Elektronenstrahl und Magnetfeld ab. Die Zeit, die ein Elektron für einen Umlauf auf der Kreisbahn braucht, ist jedoch von der Geschwindigkeit unabhängig und hängt nur von der Größe des Magnetfeldes ab. Erhöht man im Experiment den Strom durch das Helmholtz-Spulenpaar und damit das Magnetfeld, so dreht sich daher der Schatten einheitlich auf dem Leuchtschirm. Auf der Schraubenbahn weist die Bewegungsrichtung zu gewissen Zeitpunkten wieder in Richtung der Strahlachse. Da die Zeit für einen Umlauf auf der Kreisbahn für alle Elektronen gleich ist, erreichen alle Elektronen diesen Punkt gleichzeitig. Verlassen die Elektronen das Magnetfeld zu diesem Zeitpunkt, schneiden ihre Bahnen die Strahlachse in einem Punkt. Durch geeignete Wahl des Magnetfeldes und damit des Spulenstroms kann so eine Fokussierung des divergenten Strahlbündels erreicht werden. Der Versuchsaufbau kann daher auch zur Demonstration von magnetischen Elektronenlinsen herangezogen werden. Abb. 1: Versuchsaufbau Geräte 1 Schattenkreuzröhre .............................................555 620 1 Röhrenständer.....................................................555 600 1 Helmholtz-Spulenpaar .........................................555 604 1 Hochspannungsnetzgerät....................................521 70 1 DC Netzgerät 0 – 16 V / 0 – 5 A ..........................521 545 1 Sicherheits-Experimentierkabel, 25 cm, rot .........500 611 2 Sicherheits-Experimentierkabel, 50 cm, rot .........500 621 1 Sicherheits-Experimentierkabel, 50 cm, blau.......500 622 2 Sicherheits-Experimentierkabel, 100 cm, rot .......500 641 2 Sicherheits-Experimentierkabel, 100 cm, blau.....500 642 2 Sicherheits-Experimentierkabel, 100 cm, schwarz ...............................................................500 544 LD Didactic GmbH . Leyboldstraße 1 . D-50354 Hürth . Telefon: (02233) 604-0 . Fax: (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] © LD Didactic GmbH Gedruckt in der Bundesrepublik Deutschland Technische Änderungen vorbehalten P3.8.3.2 LD Handblätter Physik -2- Sicherheitshinweis: Bei der Schattenkreuzröhre handelt es sich um einen dünnwandigen evakuierten Glaskolben, es besteht Implosionsgefahr! - Röhre keinen mechanischen Belastungen aussetzen. - Schattenkreuzröhre nur mit Sicherheits-Experimentierkabeln beschalten. - Gebrauchsanweisungen zur Schattenkreuzröhre (555 620) und zum Röhrenständer (555 600) beachten. Aufbau Der Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Zum Aufbau sind folgende Schritte nötig: - Eine Spule des Helmholtzspulenpaars direkt vor dem Röhrenständer aufstellen. - Die Schattenkreuzröhre vorsichtig (durch die erste Spule hindurch) in den Röhrenständer einsetzen. - Für die Kathodenheizung die Buchsen F1 und F2 des Röhrenständers an den rückseitigen Ausgang des Hochspannungs-Netzgerätes 10 kV anschließen. - Buchse C des Röhrenständers (Kathodenkappe der Schattenkreuzröhre) an den Minuspol und Buchse A (Anode) an den Pluspol des Hochspannungs-Netzgerätes 10 kV anschließen und den Pluspol zusätzlich erden. - Die zweite Spule aufstellen. Das Helmholtz-Spulenpaar so um die Röhre ausrichten, dass die Spulen in der Helmholtzgeometrie stehen (Abstand der Spulen 6,7 cm) und die Strahlachse der Röhre mit der Verbindungslinie der zwei Spulenmittelpunkte zusammenfällt (siehe Abb. 2). Die Spulen in Serie an die Gleichspannungsquelle anschließen, so dass der Strom durch die Spulen im gleichen Umlaufsinn fließt. - Das Schattenkreuz an Buchse A anschließen. Durchführung Das Hochspannungs-Netzgerät einschalten. Die Katode wird nun geheizt. - Anodenspannung zwischen 2,5 und 5 kV wählen und Schatten des Schattenkreuzes auf dem Leuchtschirm beobachten. - Magnetfeld durch Steigerung des Spulenstroms langsam erhöhen und Drehung und Fokussierung des Schattens beobachten. - Polarität des Spulenstroms umkehren und den Spulenstrom wieder erhöhen. - Beobachtung und Auswertung Nach Einschalten der Katodenheizung wird der Lichtschatten des Kreuzes auf dem Leuchtschirm der Röhre sichtbar. Wird die Anodenspannung erhöht, erscheint auf dem Leuchtschirm ein zweiter Schatten, der sich mit dem Lichtschatten deckt (vergleiche Versuch 3.8.3.1). Erhöht man den Strom durch das Helmholtzspulenpaar, dreht sich der Elektronenschatten und wird kleiner. Aufgrund des divergierenden Elektronenstrahls in der Schattenkreuzröhre verlaufen die Elektronenbahnen schräg zu den Magnetfeldlinien; die Elektronen werden daher auf schraubenförmigen Bahnen abgelenkt, was zu einer Drehung des Schattenbildes führt. Die Drehgeschwindigkeit ist dabei für alle Elektronen gleich, so dass sich das ganze Kreuz gleichmäßig bewegt. Die Drehrichtung hängt von der Richtung des Magnetfelds und damit von der Richtung des Spulenstroms ab. Beim Verlassen des Magnetfelds bewegen sich die Elektronen geradlinig in der Richtung weiter, die sie auf der Schraubenbahn im Magnetfeld gerade erreicht haben. Auf dem Schirm erscheint daher das Schattenbild zusätzlich vergrößert oder verkleinert. Bei geeigneten Einstellungen der Anodenspannung und des Spulenstroms ist eine Fokussierung des Strahlbündels auf einen Punkt möglich; für noch höhere Ströme wird das Bild wieder größer. Mit dem Aufbau kann also eine magnetische Elektronenlinse realisiert werden und so auch als Modell zu Elektronenoptik mit statischen Magnetfeldern betrachtet werden. LD Didactic GmbH . Leyboldstraße 1 . D-50354 Hürth . Telefon: (02233) 604-0 . Fax: (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] © LD Didactic GmbH Gedruckt in der Bundesrepublik Deutschland Technische Änderungen vorbehalten
