Das Fadenstrahlrohr-Experiment ist ein klassisches physikalisches Experiment, das dazu dient, die Eigenschaften von geladenen Teilchen in einem Magnetfeld zu veranschaulichen. Es demonstriert eindrucksvoll, wie sich bewegte geladene Teilchen (meist Elektronen) in einem magnetischen Feld verhalten.
Experimentaufbau:
Fadenstrahlrohr: Ein Fadenstrahlrohr ist ein evakuiertes Glasrohr, in dem sich ein Elektronenstrahl nahezu frei von Luftwiderstand bewegen kann. Im Inneren des Rohres befindet sich ein Elektronenstrahlerzeuger, der Elektronen emittiert.
Helmholtz Spulen: Um das Rohr herum sind zwei Spulen aufgebaut, durch die ein Strom fließt. Dies erzeugt ein homogenes Magnetfeld innerhalb des Rohres, dessen Feldlinien parallel zur Achse der Spule verlaufen.
Gasfüllung: Das Rohr enthält eine geringfügige Menge ionisierbares Gas (wie Wasserstoff oder Helium), das dazu dient, die Bahn der Elektronen sichtbar zu machen. Wenn die Elektronen mit den Gasmolekülen kollidieren, regen sie diese an, wodurch sie Licht emittieren.
Elektronenkanone: Eine entsprechend angeschlossene Elektronenkanone (s. oben) ist im Rohr aufgebaut.
Durchführung:
- Die Elektronen werden im Fadenstrahlrohr beschleunigt und in das Magnetfeld eingeführt.
Beobachtungen:
Es sind kreisförmig Bahnen der Elektronen zu beobachten.
Der Radius der Elektronenbahn ist abhängig von der Geschwindigkeit der Elektronen und der Stärke des Magnetfelds. Durch Ändern der Beschleunigungsspannung oder der Stärke des Magnetfelds kann der Radius der Bahn verändert werden.
Deutung
Durch das Magnetfeld erfahren die Elektronen eine Lorentz-Kraft, die senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld steht.
Diese Kraft bewirkt, dass sich die Elektronen auf einer kreisförmigen Bahn bewegen. Die Bahn der Elektronen wird durch die Leuchterscheinungen des Gases sichtbar.
Mithilfe der Beobachtungen kann die spezifische Ladung (Ladung/Masse-Verhältnis) der Elektronen berechnet werden.
Schlussfolgerungen:
Das Fadenstrahlrohr-Experiment ist ein ausgezeichnetes Beispiel, um die Wirkung magnetischer Felder auf geladene Teilchen zu demonstrieren. Es zeigt, wie durch die Anwendung eines Magnetfeldes eine Zentralkraft auf bewegte geladene Teilchen ausgeübt wird, die diese auf eine Kreisbahn zwingt.
