Lorentzkraft
Worum geht es?
Die auf den stromdurchflossenen Leiter ist in Wahrheit die Summe der Kräfte auf seine bewegten Ladungsträger. Das Fadenstrahlrohr macht diese einzeln sichtbar: Ein Elektronenstrahl leuchtet im verdünnten Gas als feiner Faden, und im Feld eines Spulenpaars biegt er sich zu einer perfekten . Untersucht werden Richtung (Drei-Finger-Regel für negative !), Bahnform und die Abhängigkeit des Kreisradius von und .
Warum macht man dieses Experiment?
Die lenkt Elektronen in Bildröhren, hält Teilchen in Beschleunigerringen, sortiert Ionen im Massenspektrometer und schützt die Erde vor dem Sonnenwind: bewegte im ist ein Universalthema. Das Fadenstrahlrohr ist der Ort, an dem man sie sehen kann, und der klassische Aufbau, mit dem die spezifische Ladung e/m des Elektrons bestimmt wurde.
Die physikalische Idee
Eine Glühkathode dampft Elektronen aus, eine Beschleunigungsspannung bringt sie auf definierte , Restgas macht die Bahn als Leuchtspur sichtbar. Das nahezu homogene Feld eines Helmholtz-Spulenpaars steht senkrecht zur Bahn. Die wirkt stets senkrecht zur Geschwindigkeit, ändert also nur die Richtung, nie den Betrag: Es entsteht eine , deren Radius von und abhängt.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
Mit gekreuzten Feldern und Ablenkröhren bestimmte J. J. Thomson 1897 die spezifische e/m und identifizierte damit das Elektron als Teilchen. Das Schul-Fadenstrahlrohr wiederholt den Kern dieser Messung; benannt ist die nach Hendrik Antoon Lorentz.
Versuchsziel
Aktuelles Versuchsziel
Elektronen auf der Kreisbahn
Untersuche die Ablenkung des Elektronenstrahls im : Richtung (Vorzeichenregel), Bahnform, und wie der Kreisradius von Beschleunigungsspannung (also ) und Spulenstrom (also ) abhängt.
Gemessen
- — Bahnradius (in )
Am Maßstab als halber Kreisdurchmesser abgelesen; die abhängige Größe der Untersuchung.
- — Beschleunigungsspannung (in )
Legt die Elektronengeschwindigkeit fest: .
Bekannt
- — Flussdichte des Spulenfelds (in )
Aus dem Spulenstrom über die Helmholtz-Geometrie bekannt; wird hier nur relativ variiert.
Berechnet
- — Elektronengeschwindigkeit (in )
Zwischengröße aus der Beschleunigungsspannung.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die Lorentzkraft auf das einzelne Elektron (v senkrecht zu B).Zur Formelsammlung
- Folgt aus Lorentzkraft = Radialkraft: die prüfbare Radiusformel.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Erzeuge einen Elektronenstrahl, schalte das Spulenfeld zu und untersuche: Ablenkrichtung (mit Feldumkehr), Bahnform, Radius bei wachsender Beschleunigungsspannung (150 bis 300 V) und Radius bei wachsendem Spulenstrom.
2Vorbetrachtung
Warum eine Kreisbahn, und wovon hängt ihr Radius ab?
Die steht senkrecht auf der . Eine ohne Komponente längs der Bahn kann den Geschwindigkeitsbetrag nicht ändern, nur die Richtung. Das Elektron behält sein Tempo und wird ständig gleich stark zur Seite gezogen: die Definition einer mit der Lorentzkraft als .
Gleichsetzen von Lorentzkraft und benötigter Radialkraft:
Auflösen nach dem Radius (eine Potenz von kürzt sich):
Vorhersagen: Schnellere Elektronen fliegen weitere Kreise (, und wegen wächst mit der Wurzel der Beschleunigungsspannung); stärkeres Feld zwingt engere Kreise ().
3Geräte / Stoffe
Kompletter Aufbau im abgedunkelten Raum. Vor der Messung einige Minuten warten: Kathodentemperatur und Leuchtspur stabilisieren sich.
Fadenstrahlrohr
Erzeugt den sichtbaren Elektronenstrahl: Glühkathode, Beschleunigungsanode, Restgas als Leuchtspur-Medium.
Helmholtz-Spulenpaar
Erzeugt im Rohrbereich ein nahezu homogenes, über den Spulenstrom einstellbares .
Netzgeräte für Heizung, Beschleunigung und Spulen
Stellen die Versuchsgrößen v (über U_B) und B (über I_) unabhängig ein.
Maßstab mit Spiegelskala am Rohr
Misst den Durchmesser der parallaxenfrei.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Rohrquerschnitt mit Elektronenkanone, Leuchtkreis und Feldrichtung (in die Zeichenebene hinein); Kraftpfeil zum Kreismittelpunkt.
Die im homogenen Feld: Die steht immer senkrecht zur und wirkt als . Für Elektronen (negative ) ist die Drei-Finger-Regel mit umgekehrter Bewegungsrichtung anzuwenden.
Aufbau: Fadenstrahlrohr im Helmholtz-Spulenpaar; Netzgeräte für Heizung, Beschleunigungsspannung (bis 300 V) und Spulenstrom; abgedunkelter Raum für die Leuchtspur.
5Durchführung
Schritt 1: Strahl ohne Feld beobachten (gerade Spur). Spulenfeld zuschalten: Bahnform und Ablenkrichtung notieren; Feld umpolen und Richtung erneut notieren.
Schritt 2: Bei festem Spulenstrom die Beschleunigungsspannung auf 150, 200, 250, 300 V stellen; jeweils Kreisdurchmesser ablesen.
Schritt 3: Bei fester (250 V) den Spulenstrom in vier Stufen erhöhen; Durchmesser ablesen.
6Beobachtung
| Test | Ergebnis |
|---|---|
| ohne Feld | gerade Leuchtspur |
| mit Feld | geschlossener Leuchtkreis; Umpolen kehrt den Umlaufsinn um |
| : 150 → 300 V (Feld fest) | Radius wächst von 3,5 auf 5,0 cm (Faktor ) |
| Spulenstrom verdoppelt (Spannung fest) | Radius halbiert sich |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Bahnform und Richtung: Der geschlossene Leuchtkreis bestätigt die Kernaussage: Die steht dauerhaft senkrecht zur Bewegung. Die Ablenkrichtung passt zur Drei-Finger-Regel, wenn man die negative berücksichtigt (Bewegungsrichtung der Elektronen entgegen der technischen Stromrichtung): Das Vorzeichen der Ladung ist im Umlaufsinn direkt sichtbar.
Radius-Abhängigkeiten: Verdopplung der Beschleunigungsspannung (150 → 300 V) vergrößert den Radius um den Faktor (3,5 → 5,0 cm): genau die Wurzelabhängigkeit, die verlangt. Verdopplung des Feldes halbiert den Radius: bestätigt. Beide Trends zusammen sind die experimentelle Signatur der Formel .
Ausblick e/m: Wer (aus der Helmholtz-Geometrie) und (aus ) quantitativ einsetzt, kann aus dem gemessenen Radius die spezifische Ladung bestimmen, historisch der Weg, auf dem das Elektron vermessen wurde. Diese quantitative Auswertung bietet sich als Anschlussaufgabe an.
8Fazit
Freie Elektronen werden im homogenen auf gezwungen: Radius wachsend mit der Wurzel der Beschleunigungsspannung, fallend mit der , Umlaufsinn gemäß für negative . Das Leiter-Kraftgesetz ist damit auf seine mikroskopische Ursache zurückgeführt.
9Fehlerbetrachtung
Die Leuchtspur-Messung hat charakteristische Grenzen:
Parallaxe beim Radius-Ableseneher zufällig
- Ursache
Leuchtkreis und Maßstab liegen in verschiedenen Ebenen.
- Auswirkung
Durchmesser um Millimeter falsch; da r quadratisch in e/m eingeht, verstärkt sich der Fehler in quantitativen Auswertungen.
- Verbesserung
Spiegelskala verwenden (Auge so, dass Bild und Spiegelbild des Kreises fluchten).
Energieverlust durch Restgas-Stößeeher systematisch
- Ursache
Die Leuchtspur entsteht ja gerade durch Stöße; jeder Stoß kostet .
- Auswirkung
Die Bahn ist eine ganz leichte Spirale nach innen statt ein perfekter Kreis; bei langen Bahnen sichtbar.
- Verbesserung
Radius am ersten Umlauf ablesen.
Feld nicht exakt senkrecht zur Bahneher systematisch
- Ursache
Rohr im Spulenpaar leicht verdreht.
- Auswirkung
Die Bahn wird eine Schraubenlinie (Geschwindigkeitskomponente längs B bleibt unabgelenkt); der Kreis erscheint elliptisch verkippt.
- Verbesserung
Rohr drehen, bis die Bahn als geschlossener Kreis erscheint.
Das Wichtigste
- Das Gesetz
(für ): Die wirkt auf bewegte , senkrecht zu und .
- Folge: Kreisbahn
Weil bleibt der Geschwindigkeitsbetrag konstant: Die wirkt als , die Bahn wird ein Kreis mit .
- Vorzeichen
Elektronen sind negativ: Ihre Ablenkrichtung ist der technischen Drei-Finger-Regel entgegengesetzt (oder: linke Hand verwenden).
- Keine Arbeit
Die steht immer senkrecht zum Weg: Sie verrichtet keine und ändert nie die des Teilchens, nur seine Richtung.