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    1) elektrische Schaltungen

    • Elektrische Schaltungen – Wie Stromkreise aufgebaut und berechnet werden

      Elektrische Schaltungen (Stromkreise) bilden die Grundlage fast aller technischen Anwendungen – von der einfachen Lampe bis zum Computer. In der Physik untersuchen wir vor allem Gleichstromschaltungen mit Widerständen, Spannungsquellen und Messgeräten.

      Grundbegriffe

      In einer elektrischen Schaltung spielen mehrere Größen eine Rolle:

      • Spannung U (in Volt, V) – „treibt“ die Ladungen an
      • Stromstärke I (in Ampere, A) – beschreibt, wie viele Ladungen pro Zeit fließen
      • Widerstand R (in Ohm, Ω) – „bremst“ den Stromfluss
      • Leistung P (in Watt, W) – gibt an, wie viel Energie pro Zeit umgesetzt wird

      Zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand gilt das Ohmsche Gesetz:

      U = R \cdot I

      Reihenschaltung (Serienschaltung)

      Bei einer Reihenschaltung sind die Bauteile nacheinander in einem einzigen Strompfad geschaltet.

      Merkmale der Reihenschaltung

      • Der gleiche Strom fließt durch alle Bauteile:

      I_\text{gesamt} = I_1 = I_2 = \dots

      • Die Gesamtspannung ist die Summe der Teilspannungen:

      U_\text{gesamt} = U_1 + U_2 + \dots

      • Die Gesamtwiderstand ist die Summe der Einzelwiderstände:

      R_\text{ges} = R_1 + R_2 + \dots

      Konsequenzen

      • Fällt ein Bauteil aus (z. B. eine Lampe), ist der gesamte Stromkreis unterbrochen.
      • Je mehr Widerstände in Reihe, desto größer der Gesamtwiderstand und desto kleiner der Strom.

      Parallelschaltung

      Bei einer Parallelschaltung sind alle Bauteile an die gleiche Spannung gelegt. Es gibt mehrere Strompfade.

      Merkmale der Parallelschaltung

      • Über allen Zweigen liegt die gleiche Spannung:

      U_\text{gesamt} = U_1 = U_2 = \dots

      • Die Gesamtstromstärke ist die Summe der Teilströme:

      I_\text{gesamt} = I_1 + I_2 + \dots

      • Für den Gesamtwiderstand gilt:

      \frac{1}{R_\text{ges}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots

      Konsequenzen

      • Fällt ein Bauteil aus, können die anderen trotzdem weiter funktionieren, weil es mehrere Stromwege gibt.
      • Mehr parallele Zweige → Gesamtwiderstand wird kleiner, Gesamtstrom wird größer.

      Gemischte Schaltungen

      In der Praxis bestehen viele Schaltungen aus Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen. Man vereinfacht solche Schaltungen schrittweise:

      1. Teilbereiche erkennen (z. B. zwei Widerstände in Reihe).
      2. Diese ersetzen durch einen äquivalenten Gesamtwiderstand.
      3. Neu entstandene Schaltung erneut untersuchen (vielleicht entsteht nun eine Parallelschaltung usw.).

      So kann man komplexe Schaltungen auf einfache Grundformen zurückführen und berechnen.
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    2) E-Feld

    • Elektrische Felder und ihre Kraftwirkung auf geladene Probekörper

      Ein elektrisches Feld entsteht durch Ladungen im Raum, es verursacht eine Kraftwirkung auf elektrische Ladung.

      Die elektrische Feldstärke \mathbf{E} an einem bestimmten Punkt im Raum wird definiert als die Kraft \mathbf{F} pro Einheitsladung q_0 an diesem Punkt:

      \mathbf{E} = \frac{\mathbf{F}}{q_0}

      Wobei \mathbf{E} die elektrische Feldstärke, \mathbf{F} die auf die Probekörper wirkende Kraft und q_0 die Ladung des Probekörpers ist.

      Ein elektrisches Feld entsteht durch geladene Körper und seine Wirkung erstreckt sich durch den Raum um diese geladenen Körper herum. Zum Beispiel erzeugt eine positive Ladung ein elektrisches Feld, das nach außen gerichtet ist, und eine negative Ladung erzeugt ein Feld, das nach innen gerichtet ist.

      Wenn ein geladener Probekörper in dieses Feld gebracht wird, erfährt er eine Kraft aufgrund der Wechselwirkung zwischen seiner Ladung und dem elektrischen Feld. Die Richtung und Größe dieser Kraft hängt sowohl von der Stärke des Feldes als auch von der Größe und Art der Ladung des Probekörpers ab.

      Zusammenfassung

      Ein elektrisches Feld beschreibt die Kraftwirkung, die die elektrischen Ladungen auf Ladungen in ihrer Umgebung ausübt. Die Stärke und Richtung des elektrischen Feldes an einem Punkt können durch die Beobachtung der Kraft bestimmt werden, die auf einen geladenen Probekörper an diesem Punkt wirkt.
    • 2a) Elektrische Felder: Kraftwirkung auf geladene Probekörper Test
      Teilnehmer/innen müssen
      Eine Bewertung erhalten
      Bestehensgrenze erreichen

    • Einheit der elektrischen Ladung

      Die elektrische Ladung ist eine fundamentale physikalische Größe, die beschreibt, wie ein Objekt elektrische Kräfte erfahren oder ausüben kann. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb, abgekürzt als C .

      Ein Coulomb ist definiert als die Menge an elektrischer Ladung, die durch einen Leiter fließt, wenn ein konstanter Strom von einem Ampere für die Dauer von einer Sekunde fließt. Formell:

      1 C = 1 A \cdot 1 s

    • Zusammenhang zwischen Ladung und elektrischer Stromstärke

      Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt eines Leiters fließt. Sie wird oft mit dem Symbol I dargestellt.

      Mathematisch wird die Stromstärke I definiert durch das Verhältnis von Ladung \Delta Q zur Zeit \Delta t , in der diese Ladung durch den Querschnitt fließt:

      I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}

      Die Einheit der Stromstärke im Internationalen Einheitensystem (SI) ist das Ampere, abgekürzt als A . Ein Ampere entspricht dem Fluss von einer Coulomb Ladung pro Sekunde.

      Definition der Spannung

      Die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld gibt die pro Ladungseinheit übertragene Energie an, wenn sich eine positive Testladung von dem einen zum anderen Punkt bewegt. Sie wird oft mit dem Symbol U dargestellt.

      Formell wird die Spannung U zwischen zwei Punkten A und B in einem elektrischen Feld definiert durch das Verhältnis der Energie E zur Ladung Q , die zwischen diesen beiden Punkten übertragen wird:

      U = \frac{E}{Q}

      Die Einheit der elektrischen Spannung im SI-System ist das Volt, abgekürzt als V . Ein Volt entspricht einer übertragenen Energie von einem Joule pro Coulomb Ladung.

      Zusammenfassung

      Die elektrische Stromstärke beschreibt, wie viel Ladung pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließt und hat die Einheit Ampere ( A ). Die elektrische Spannung gibt die pro Ladung übertragene Energie zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld an und hat die Einheit Volt ( V ).
    • 2b) Ladung und Strom Test
      Teilnehmer/innen müssen
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      Bestehensgrenze erreichen
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    3) Plattenkondensator

    • Zusammenhang zwischen Feldstärke und Spannung in einem Plattenkondensator

      Ein Plattenkondensator besteht aus zwei parallelen leitenden Platten, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind und zwischen denen kein leitendes Medium vorhanden ist (meistens Vakuum oder ein Dielektrikum).

      Wenn eine elektrische Spannung U an die Platten eines Kondensators angelegt wird, entsteht zwischen den Platten ein elektrisches Feld. Die Stärke dieses Feldes, bekannt als elektrische Feldstärke E , ist in einem idealen Plattenkondensator (ohne Randauswirkungen) gleichförmig und senkrecht zu den Platten ausgerichtet.

      Der Zusammenhang zwischen der an den Platten eines Plattenkondensators anliegenden Spannung U und der elektrischen Feldstärke E ist gegeben durch:


      E = \frac{U}{d}

      Hierbei ist d der Abstand zwischen den beiden Platten des Kondensators. Somit ergibt sich die Feldstärke als Quotient aus der angelegten Spannung und dem Plattenabstand.

      Zusammenfassung

      In einem Plattenkondensator ist die elektrische Feldstärke E direkt proportional zur angelegten Spannung U und umgekehrt proportional zum Abstand d zwischen den Platten. Das bedeutet, dass eine Erhöhung der Spannung auch eine Erhöhung der Feldstärke zur Folge hat, während eine Vergrößerung des Plattenabstandes die Feldstärke verringert.
    • 3a) Plattenkondensator Test
      Teilnehmer/innen müssen
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      Bestehensgrenze erreichen

    • Energiebilanz für einen geladenen Körper im Feld eines Plattenkondensators

      Ein geladener Körper im elektrischen Feld eines Plattenkondensators besitzt Energie aufgrund seiner Position und seiner Ladung.

      Die Energie E_{\text{elk}} eines geladenen Körpers mit der Ladung q im elektrischen Feld des Kondensators beträgt:



      E_{\text{elk}} = q \cdot U


      Die Energie eines geladenen Körpers in einem Plattenkondensator ist direkt proportional zur Ladung des Körpers und zur an den Kondensator angelegten Spannung.

      Sie beschreibt die Energie, die erforderlich ist, um die Ladung innerhalb des elektrischen Feldes des Kondensators zu bewegen.
    • 3b) Probeladung in einem Plattenkondensator Test
      Teilnehmer/innen müssen
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      Bestehensgrenze erreichen

    • Kapazität und Energiespeicherung eines Kondensators

      Definition der Kapazität

      Die Kapazität eines Kondensators gibt an, wie viel elektrische Ladung er bei einer bestimmten Spannung speichern kann. Sie ist durch die folgende Beziehung definiert:


      Q = C\cdot U

      Wobei C die Kapazität, Q die gespeicherte Ladung und U die Spannung ist.

      Energie des elektrischen Feldes

      Die Energie E , die im elektrischen Feld eines geladenen Plattenkondensators gespeichert wird, wird durch die folgende Gleichung beschrieben:


      E = \frac{1}{2} C U^2

      Hierbei ist E die gespeicherte Energie, C die Kapazität des Kondensators und U die Spannung.
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    4) Laden und Entladen eines Kondensators

    • T-I-Zusammenhang beim Kondensator

      Aufladevorgang

      Beim Aufladen eines Kondensators über einen Widerstand nimmt die Spannung U_C(t) folgendermaßen zu:


      U_C(t) = U_0 \cdot (1 - e^{-t/\tau})

      mit \tau = R \cdot C als die Zeitkonstante des Systems und U_0 als die Quellspannung.

      Entladevorgang

      Beim Entladen des Kondensators nimmt die Spannung U_C(t) folgendermaßen ab:


      U_C(t) = U_0 \cdot e^{-t/\tau}

      Hier ist U_0 die anfängliche Spannung des Kondensators zu Beginn des Entladevorgangs.

      Zusammenfassung

      Beim Aufladen und Entladen eines Kondensators über einen Widerstand verändert sich die Spannung des Kondensators exponentiell mit der Zeit. Dieses Verhalten wird durch die Zeitkonstante \tau des RC-Netzwerks bestimmt.
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    5) Elektronenkanone

    • Die Elektronenkanone ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Geräte, von der alten Kathodenstrahlröhre in Fernsehern bis hin zu den modernen Teilchenbeschleunigern. Das Verständnis ihrer Funktionsweise bietet Einblicke in die Grundlagen der Elektrodynamik.

      1. Grundlagen

      Eine Elektronenkanone nutzt elektrische Felder, um Elektronen zu beschleunigen. Diese Elektronen stammen aus einer Glühkathode, die Elektronen freisetzt, wenn sie erhitzt wird.

      2. Der Aufbau

      Eine typische Elektronenkanone besteht aus:

      1. einer beheizten Kathode zur Elektronenemission,

      2. einer Anode mit einem Loch in der Mitte zur Beschleunigung und Formung des Elektronenstrahls,

      3. und einem Auffangschirm oder Detektor, um die Elektronen sichtbar zu machen.

      Der gesamte Aufbau befindet sich im Vakuum, damit die Elektronen sich frei bewegen können.

      3. Arbeitsweise

      Wenn eine Spannung zwischen Kathode und Anode angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das die Elektronen beschleunigt. Die potenzielle Energie, die durch das Feld auf das Elektron übertragen wird, verwandelt sich in kinetische Energie.

      4. Mathematische Beschreibung

      Die kinetische Energie E_{kin} der Elektronen beim Verlassen der Kanone ist gleich der elektrischen potenziellen Energie E_{pot}, die durch die Spannung U bereitgestellt wird:

      \frac{1}{2} m_e v^2 = e U

      wobei m_e die Masse des Elektrons und e die Elementarladung ist. Die Geschwindigkeit v der Elektronen kann dann berechnet werden als:

      v = \sqrt{\frac{2 e U}{m_e}}

      5. Experimentelle Beobachtungen

      Bei der Durchführung von Experimenten mit Elektronenkanonen können Schülerinnen und Schüler beobachten, wie:

      1. die Geschwindigkeit der Elektronen mit der Wurzel der anliegenden Spannung zunimmt,

      2. ein externes Magnetfeld die Bahn der Elektronen krümmt,
    • U_H: Heizspannung

      U_W: Spannung des Wehneltzylinders

      U_A: Beschleunigungsspannung

      ①: Glühkathode

      ②: Wehneltzylinder

      ③: Anode
    • 4a) Herleitung der Geschwindigkeit von Elektronen Test
      Teilnehmer/innen müssen
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    • 4b) Elektronenstrahlröhre Berechnungen Test
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    • 4c) Beschriftung Elektronenstrahlröhre Test
      Teilnehmer/innen müssen
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    6) Elektronenstrahlröhre

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    7) Einstieg B-Felder

    • Öffne das elektromagnetische Labor im Browser:

      elektromagnetisches Labor

      1. Stabmagnet: Beschreibe das vom Stabmagneten erzeugte Feld.

      2. Induktionsspule: Bewege den Stabmagneten. Beschreibe, wann die Lampe leuchtet und wann nicht. Was musst du tun, damit sie besonders stark leuchtet?

      3. Elektromagnet: Beschreibe das vom Elektromagneten erzeugte Feld. Beschreibe die Veränderung des Feldes bei Veränderungen der Spannung.

      4. Elektromagnet: Beschreibe das Feld beim Anschließen von Wechselspannung.

      5. Transformator: Erkläre zwei Wege, wie du die Lampe zum Leuchten bringen kannst.

      6. Generator: Beschreibe das Experiment in Aufbau, Durchführung, Beobachtung und Deutung.

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    9) B-Feld

    • Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter

      Das Experiment zu einem stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld ist ein klassisches Beispiel, um das Zusammenspiel von Elektrizität und Magnetismus zu demonstrieren und zu untersuchen. Dieses Experiment veranschaulicht die Lorentz-Kraft und hilft, das Konzept des Magnetfelds (B-Feld) im Gegensatz zum elektrischen Feld (E-Feld) zu verstehen.

      Experimentaufbau:

      1. Stromdurchflossener Leiter: Ein gerader Leiter wird so positioniert, dass er Strom führen kann. Dieser Leiter könnte ein einfacher Draht oder eine Spule sein.

      2. Magnetfeld: Um den Leiter wird ein Magnetfeld erzeugt. Dies kann durch permanente Magnete oder durch eine Helmholtz-Spule, die ein gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt, realisiert werden.

      3. Stromquelle: Eine Stromquelle (z.B. eine Batterie) wird verwendet, um einen elektrischen Strom durch den Leiter zu schicken.

      4. Messinstrumente: Geräte wie Amperemeter und Voltmeter können eingesetzt werden, um Stromstärke und Spannung zu messen.

      Durchführung:

      • Strom wird durch den Leiter geschickt.

      Beobachtungen:

      • Der Leiter bewegt sich.

      • Die Richtung der Bewegung hängt von der Richtung des Stromflusses und der Orientierung des Magnetfelds ab.

      Deutung:

      • Wenn der Strom durch den Leiter fließt, erfährt dieser eine Kraft aufgrund des externen Magnetfelds. Die Richtung dieser Kraft kann mit der Rechten-Hand-Regel bestimmt werden (s. unten).

      • Der stromdurchflossene Leiter erfährt eine Kraft, die senkrecht sowohl zur Richtung des Stroms als auch zur Richtung des Magnetfelds steht. Diese Kraft ist als Lorentz-Kraft bekannt.

      • Die Stärke der Kraft hängt von der Stärke des Stroms, der Länge des Leiters im Magnetfeld und der Stärke des Magnetfelds ab.

      Schlussfolgerungen:

      Dieses Experiment zeigt, wie ein Magnetfeld auf bewegte Ladungen (stromdurchflossener Leiter) wirkt und wie dies von der Wirkung eines elektrischen Felds auf ruhende Ladungen unterschieden wird. Es veranschaulicht die grundlegenden Konzepte des Elektromagnetismus und ist fundamental für das Verständnis von Geräten wie Elektromotoren und Generatoren.

      Linkehandregel

      • Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger werden so abgespreizt, dass sie sich im rechten Winkel zueinander befinden.

      • Der Daumen zeigt in Richtung der Elektronenbewegung

      • der Zeigefinger in Richtung des B-Feldes

      • und der Mittelfinger in Richtung der Lorentzkraft.

      Wenn du die technische Stromrichtung nutzt, musst du die rechte Hand nehmen.

      Unterschied zwischen B-Feld und E-Feld:

      • Magnetfeld (B-Feld): Wird durch bewegte elektrische Ladungen (wie in einem stromdurchflossenen Leiter) oder durch magnetische Materialien erzeugt. Das B-Feld ist ein Vektorfeld, das eine Richtung und eine Stärke hat und durch magnetische Feldlinien dargestellt wird. In diesem Experiment wird das Magnetfeld durch die extern angelegten Magnete oder die Spule erzeugt.

      • Elektrisches Feld (E-Feld): Wird durch elektrische Ladungen erzeugt und wirkt auf andere Ladungen. Es ist auch ein Vektorfeld und wird durch elektrische Feldlinien dargestellt.

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    8) Fadenstrahlrohr

    • 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:

      1. 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.

      2. 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.

      3. 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.

      4. 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.

    • 8a) Berechnungen Fadenstrahlrohr Test
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    • 8b) Fadestrahlrohr Lücketext Test
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    10) Halleffekt

    • Das Experiment zum Halleffekt ist ein wichtiger Versuch in der Physik, der die Wirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter untersucht und dabei den Halleffekt demonstriert. Dieser Effekt wurde 1879 von Edwin Hall beschrieben und spielt eine wesentliche Rolle im Verständnis des Elektromagnetismus und in der Entwicklung von magnetischen Sensoren.

      Experimentaufbau:

      1. Hall-Sonde: Ein dünner Streifen aus leitendem Material (oft ein Halbleiter) wird als Hall-Sonde verwendet. Dieser Streifen wird in eine Richtung von einem elektrischen Strom durchflossen.

      2. Magnetfeld: Ein Magnetfeld wird senkrecht zur Stromrichtung und zur Ebene des Streifens angelegt.

      3. Messinstrumente: Um den Halleffekt zu messen, werden Elektroden an den Seiten des Streifens angebracht, um die Hallspannung zu messen.

      Durchführung:

      • Ein elektrischer Strom wird durch die Hall-Sonde geleitet und gleichzeitig ein Magnetfeld senkrecht dazu angelegt.

      • Die Spannung an der Sonde wird gemessen.

      Beobachtungen:

      • Es wird eine Spannung gemessen. Diese Spannung ist proportional zur Stärke des Magnetfeldes und der Stromstärke.

      Deutung

      • Lorentz-Kraft: Diese ist das Produkt aus der Ladung des Elektrons, der Geschwindigkeit des Elektrons und der Stärke des Magnetfeldes. Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen und zum Magnetfeld.

      • Elektrische Feldkraft: Durch die Ablenkung der Elektronen entsteht ein elektrisches Feld im Leiter. Dieses Feld erzeugt eine elektrische Kraft auf die Elektronen, die entgegengesetzt zur Lorentz-Kraft wirkt.

      • Im Gleichgewichtszustand sind die Lorentz-Kraft und die elektrische Feldkraft gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet.

      • Die Verschiebung der Elektronen erzeugt eine Spannung quer zum Leiter – die Hallspannung

      Schlussfolgerungen:

      Der Halleffekt liefert eine Methode, um die Stärke eines Magnetfeldes zu messen und dient als Grundlage für viele technologische Anwendungen, wie z.B. Hall-Sensoren in der Automobil- und Elektronikindustrie. Das Experiment veranschaulicht das Zusammenspiel von elektrischen und magnetischen Kräften.

    • 10a) Berechnungen Halleffekt Test
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    • 10b) Lückentexte Halleffekt Test
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    11) Wienscher Filter

    • Das Experiment zum Wienfilter, ist ein fundamentales physikalisches Experiment, das die simultane Anwendung von elektrischen und magnetischen Feldern zur Geschwindigkeitsselektion geladener Teilchen demonstriert. Es zeigt, wie man ein Geschwindigkeitsfilter für geladene Teilchen wie Elektronen oder Ionen konstruieren kann.

      Experimentaufbau:

      1. Elektrisches und Magnetisches Feld: Der Wienfilter besteht aus einer Anordnung, die ein homogenes elektrisches Feld und ein dazu senkrecht stehendes homogenes magnetisches Feld erzeugt. Diese Felder überlappen sich.

      2. Geladene Teilchen: Eine Quelle emittiert geladene Teilchen, die durch den Wienfilter hindurchtreten.

      3. Detektor: Am Ausgang des Wienfilters wird ein Detektor positioniert, um die durchgehenden Teilchen zu erfassen.

      Durchführung:

      • Geladene Teilchen treten in den Bereich ein, in dem sich das elektrische und das magnetische Feld überlagern. Beide Felder wirken gleichzeitig auf die Teilchen.

      Beobachtungen:

      • Nur Teilchen einer spezifischen Geschwindigkeit, die von der Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes abhängt, können den Wienfilter passieren und vom Detektor erfasst werden.

      Kräftegleichgewicht:

      • Im elektrischen Feld erfahren die Teilchen eine Kraft, die proportional zur Stärke des elektrischen Feldes und zur Ladung der Teilchen ist. Im magnetischen Feld wirkt eine Lorentz-Kraft, die proportional zur Stärke des Magnetfelds, zur Geschwindigkeit der Teilchen und zu ihrer Ladung ist.

      • Für Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit heben sich die Kräfte des elektrischen und des magnetischen Feldes gegenseitig auf. Diese Teilchen passieren den Filter ohne Ablenkung.

      • Teilchen, deren Geschwindigkeit zu hoch oder zu niedrig ist, werden entweder vom elektrischen oder vom magnetischen Feld abgelenkt und erreichen den Detektor nicht.

      Schlussfolgerungen:

      Der Wienfilter ist ein elegantes Instrument zur Geschwindigkeitsselektion geladener Teilchen. Er findet Anwendung in der Massenspektrometrie, wo er zur Trennung von Ionen unterschiedlicher Geschwindigkeiten (und damit unterschiedlicher Masse) eingesetzt wird. Dieses Experiment illustriert das Zusammenspiel und die Auswirkungen von elektrischen und magnetischen Feldern auf geladene Teilchen.

    • 11a) Wienscher Filter Test
      Teilnehmer/innen müssen
      Eine Bewertung erhalten
      Bestehensgrenze erreichen
    • 11b) Wienfilter Lücketexte Test