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Physik, 12 - Bewegung geladener
Teilchen im elektrischen Feld |
Übersicht
Das elektrische Feld übt auf
geladene Teilchen auf geladene Teilchen die Kraft
aus. Sind diese beweglich so werden
sie von der Kraft beschleunigt und ein Strom beginnt zu fließen.
Hier ein
Link zum Download der aller in dieser Reihe verwendeten Folien:
Sammlung Ablenkung
Ionenleitung in Flüssigkeiten
 In Schmelzen und Lösungen von Salzen transportieren
Ionen die elektrischen Ladungen (in Metallen waren dies die
Elektronen). Positiv geladene Ionen heißen Kationen und negativ
geladene Anionen. An den Elektroden werden die Ionen entladen. Die
negativ geladenen Ionen geben ihr Elektron ab, die positiven Ionen
nehmen an der Elektrode ein Elektron auf. Der Ausgleich dieser
Elektronen erfolgt über eine Spannungsquelle. Nach der Entladung
liegen die Ionen nun als neutrale Atome vor. Das zweite
Faraday´sche Gesetz verknüpft die Elementarladung mit der
Stoffmenge. Misst man eine Größe, lässt sich die jeweils andere
berechnen.
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Die Elementarladung
- der Millikan Versuch
 Die Ladung
Q ist eine gequantelte Größe, da sie nur in ganzzahligen Vielfachen
der Elementarladung auftritt. Millikan erhielt 1923 den Nobelpreis
für die Bestimmung der Elementarladung.
Die Grundidee des
Millikan-Versuches beruht darauf, die Elementarladung mit Hilfe
kleinster Öltröpfchen, die zwischen zwei horizontalen geladenen
Platten im homogenen Feld steigen und ohne elektrisches Feld sinken,
zu berechnen. Das Problem ist hierbei, den Radius r des Öltröpfchens
zu erhalten. Deshalb wird eine zweite Messungen mit bewegten
Öltröpfchen vorgenommen, um über die Reibungskraft des
Öltröpfchens auf r zu schließen.
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Ein Java Applet zur
Bestimmung der Elementarladung nach Millikan findet sich auf der
untergeordneten Seite Millikan.
Außerdem eine
Powerpointpräsentation über den Millikan
Versuch von Jörg
Rudolf.
Stromleitung in Metallen
 In Metallen sind frei
bewegliche, also nicht an ein bestimmtes Atom gebunden, Elektronen
vorhanden. Diese freien Elektronen können sich zwischen den
ortsfesten Metallatomen bewegen wie die Moleküle eines Gases im
Raum. Man spricht deshalb auch von einem Elektronengas in Metallen.
Legt man an einen
Metalldraht eine elektrische Spannung an, so werden die
freibeweglichen Elektronen vom Minuspol abgestoßen und vom Pluspol
der Spannungsquelle angezogen. Deshalb werden sie zum Pluspol hin
beschleunigt. |
 Diese Bewegung wird
jedoch von den Atomen des Kristallgitters stark behindert. Die
Elektronen verlieren durch die Zusammenstöße mit den ortsfesten
Atomen einen Teil ihrer Bewegungsenergie
in Wärmeenergie
um. Der Draht erwärmt sich.
Achtung: die technische
Stromrichtung ist entgegengesetzt zur Bewegung der Elektronen (historisch
bedingt)! |
Auf der
untergeordneten Seite Elektronenleitung
ist die Abhängigkeit der Stromstärke in einem metallischen Leiter von
der der Dichte der
freien Elektronen, der angelegten Spannung und von der Temperatur in einem
Java Applet sehr schön dargestellt.
Austritt von Elektronen
aus Metallen - glühelektrischer + Photoeffekt
Der
glühelektrische Effekt wurde 1883 von Thomas Edison entdeckt.
 In einer evakuierten Röhre ist eine Elektrode als
Spirale, die andere als Platte ausgebildet. Legt man eine Spannung
an, so fließt kein Strom. |
 Lässt man jedoch zusätzlich einen Heizstrom durch
durch die Wendel fließen und schaltet sie außerdem als Kathode
(also als Minuspol), zeigt sich eine von der Temperatur der Wendel
abhängiger Stromfluss. |
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 Erklärung: Ab einer bestimmten Temperatur der
Glühkathode treten Elektronen aus dem Wolframdraht aus. Diese
werden dann zur positiv geladenen Anode hin beschleunigt. |
 Die Energie von Elektronen gibt man in einer neuen
Einheit an. Ein Elektron nimmt beim Durchlaufen einer
Potentialdifferenz von 1V die Energie von 1 eV Elektronenvolt auf.
Wel = qU = 1 eV = 1,607 10-19 J |
Man kann diesen
Zusammenhang auf der untergeordneten Seite Vakuumdiode
auch sehr schön interaktiv
anhand eines Applets nachvollziehen.
Ablenkung von Elektronen
im E-Feld
 Auf Ladungen innerhalb
eines elektrischen Feldes wirkt immer eine elektrische Kraft. Für
Elektronen wirkt sie entgegen gesetzt zur Feldrichtung.
Fliegt ein Elektron im
Vakuum nun senkrecht in ein elektrische Feld rein, so wirkt eine
konstante elektrische Kraft senkrecht zur Flugrichtung. Sie
bewirkt eine gleichförmig Beschleunigung in Y-Richtung, während
sich das Elektron in X-Richtung weiterhin gleichförmig fortbewegt. Die
Überlagerung beider Bewegungen führt zur einer Parabelbahn (vgl.
horizontaler Wurf) |
Man kann diesen
Zusammenhang auf der untergeordneten Seite Braun´sche
Röhre auch sehr schön interaktiv
anhand eines Applets nachvollziehen.
letzte Änderung: 24.3.2005 |
