Grundbegriffe der Elektrotechnik

Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth    
Hausarbeit von Oliver Gößwein    
Dezember 2005    
Stromdurchflossene Leiterschaukel

Das Fadenstrahlrohr

Wie wir anhand des Versuches mit der Leiterschaukel gesehen haben, wirkt nur dann eine Kraft auf den Leiter, wenn Strom fließt. Ein Stromfluss bedeutet, dass sich Ladungen (meist Elektronen) bewegen. Die Ursache der Auslenkung könnte also eine Kraftwirkung auf die Elektronen sein.

Um dies zu überprüfen benötigen wir "freie Elektronen", d.h. Elektronen, die nicht an einen Festkörper gebunden sind. Diese setzen wir dann dem Einfluss eines Magnetfeldes aus.

Dazu erzeugen wir mit Hilfe einer Heizspannung an einer Kathode Elektronen (glühelektrischer Effekt) und saugen diese durch das Anlegen einer Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Anode ab. Je größer die Beschleunigungsspannung ist, desto schneller werden die Elektronen. Die Anode hat ein Loch, so dass die schnellen Elektronen häufig an ihr vorbei in das Innere des Glaskolbens fliegen. Dieser ist mit Wasserstoffgas gefüllt. Stoßen Elektronen mit dem Gas so leuchtet es blau und dient uns als Nachweis für die Elektronen.


Video anzeigen
Arbeitsaufträge

  1. Welche Auswirkung hat die Stärke des Magnetfeldes auf die Ablenkung des Elektronenstrahls?
  2. Das Fadenstahlrohr wird um seine Achse gedreht. Dabei werden unten rechts die erreichten Drehwinkel in 90°-Schritten eingeblendet. In welchen Stellungen ist keine Abweichung? Bei welchen Winkeln ist die Ablenkung maximal?
  3. Was kannst du über die Ablenkung in den Zwischenstellungen sagen? Betrachte als Hilfe dazu auch das Video, das eine Aufnahme des Fadenstrahlrohrs von oben zeigt.
  4. Sieh dir das Video noch einmal an und versuche eine Regel aufzustellen, so dass du die Ablenkungsrichtung der Elektronen im Bezug und ihre Bewegungs- und die Magnetfeldrichtung vorhersagen kannst.


Magnetfelder können die Bewegungsrichtung eines Elektronenstrahls beeinflussen. Ein Physiker, der sich besonders um die Erkenntnisse der Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen und magnetischen Feldern verdient gemacht hat, war Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928).

Die Kraft, die für die Ablenkung von Ladungen im Magnetfeld verantwortlich ist, nennen wir Lorentzkraft.

Nur wenn das Magnetfeld parallel zu der Bewegungsrichtung der Elektronen ist, tritt keine Ablenkung auf. Mit der untenstehenden Simulation kannst du genauer den Einfluß der Größen U_Heiz (Heizspannung), U_B (Beschleunigungsspannung) und U_Mag (Spannung für das Helmholtzspulenpaar) erkunden.


Simulation anzeigen
Arbeitsaufträge
  1. Verändere die Heizspannung und beobachte die Auswirkung auf den Elektronenstrahl. Wie lässt sich das Ergebnis verstehen?
  2. Die Magnetfeldrichtung und -stärke kannst du über die Spulenspannung (U_Mag) beeinflussen. Mache dir die Richtung des Magnetfeldes klar. Beobachte wie die Richtungspfeile des Magnetfeldes immer deutlicher werden, je größer U_Mag und damit das Magnetfeld wird.
  3. Stelle U_Mag auf einen Wert von 0 V ein. Nun beschleunigen wir die Elektronen in den Kolben hinaus. Auf welcher Bahn bewegen sich die Elektronen?
  4. Wie verändert sich die Bahnkurve, wenn wir das Magnetfeld wieder einschalten? Spielt die Richtung des Magnetfeldes für die Ablenkung eine Rolle?
  5. Variiere die U_B in 20 V-Schritten. Ab welcher Spannung bildet sich ein Kreis aus? Wie verändert sich die Bahnkurve der Elektronen, wenn man das Magnetfeld größer bzw. kleiner macht. Formuliere Je-Desto-Regeln für den Kreisradius in Abhängigkeit von U_B und U_Mag
  6. Schalte die Option "Atomistische Deutung" hinzu. Es werden nun stellvertretend für die riesige Anzahl an ausgesendeten Elektronen einige animiert dargestellt. An einem dieser Elektronen kannst du zudem seine jeweilige technische Stromrichtung und das wirkende Magnetfeld perspektivisch einzeichnen lassen.
  7. Sage die Richtung der Lorentzkraft mit Hilfe der UVW-Regel voraus und lasse dir zur Überprüfung diese einzeichnen. Beachte dabei, dass die Elektronen negativ geladen sind und damit ihre Bewegungsrichtung genau entgegengesetzt zur technischen Stromrichtung ist.


Wenn man das Experiment mit positiven Ladungsträgern durchführen würde, so ergäben sich jeweils gemäß der UVW-Regel die entgegengesetzte Kraftrichtung. Ist umgekehrt das Ladungsträgervorzeichen als auch die Bewegungs- und Kraftrichtung bekannt, so kann man auf die Magnetfeldrichtung schließen.
UVW-Regel
Fadenstrahlrohr
Lorentzkraft
Gleichstrom Elektromotor
Bewegte Leiterschaukel
Elektromagnetische Induktion
Anwendungen des Transformators