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Übersicht
Für den Verlauf des weiteren Unterrichts ergeben sich nun folgende Fragestellungen (in Reihenfolge der Elektronenbahn):
Offen bleiben dabei lediglich folgende Themen:
Der Aufbau der Fragen (vgl. Ladung und E-Felder) ist extra redundant gehalten um so eine zusätzliche Lernstütze für Schüler zu bieten. (Redundanz ist von der Wortbedeutung zwar eher negativ belegt, ich vertrete jedoch die Meinung dass naturwissenschaftlicher Unterricht redundant sein muss um Schülern so eine zusätzliche Lernstütze zu bieten.) Eine
hervorragende Erklärung zur Funktion der Fernsehrröhre bieten die Seiten
Hier der Link zum Download der aller in dieser Reihe verwendeten Folien: Sammlung_B-feld magnetische Kraft / magnetisches Feld / magnetische Feldstärke Die Fragen 1+2 "Welche Kraft wirkt auf sie?" und "Wie kann man die wirkende Kraft beschreiben?" lassen sich mit dem Wissen aus der Sek I schon sofort beantworten. Wahrscheinlich muss dieses aber wieder aufgefrischt werden. Dazu dient die untergeordnete Seite Grundwissen B-Felder. Um die zweite Frage vollständig beantworten zu können fehl eigentlich nur die Kenntnis der magnetischen Feldstärke B. In der Elektrostatik haben wir die Stärke des elektrischen Feldes bestimmt durch die Kraft auf eine Probeladung. So könnte man analog versuchen, hier die Stärke eines magnetischen Feldes durch die Kraft auf einen Probemagneten zu messen. Dies ist jedoch nicht möglich, da es keinen magnetischen Monopol gibt. Daher ist definiert man die Stärke eines magnetischen Feldes durch die Kraft, die ein Prüfstrom im Magnetfeld erfährt. Aus dem Versuch folgt:
Nun soll die dritte Frage "Wie kann man die Kraft berechnen?" beantwortet werden. Die Lorentzkraft ist aus der Sek I ja qualitativ schon bekannt. Im Leiterschaukelversuch wurde die Wirkung auf einen Strom durchflossenen Leiter untersucht. Nun soll die Wirkung auf einzelne, bewegte Elektronen beobachtet werden (die ja bekanntlich den Ladungstransport in Strom durchflossenen Leitern übernehmen). Dies ist besonders schön an einem Elektronenstrahl zu sehen, welcher im Magnetfeld abgelenkt wird Video Elektronenstrahl im Magnetfeld (52 kB). Aus der Lorentzkraft auf einen Strom durchflossenen Leiter wird dann die Kraft auf ein einzelnes Elektron hergeleitet.
Bleibt noch die vierte Frage "Was passiert mit den Elektronen im Magnetfeld, bzw. welche Bahnkurve beschreiben sie?". Durch eine Transferleistung ist es möglich auch diese Frage schon zu beantworten. Die Lorentzkraft wirkt senkrecht zur ursprünglichen Bewegungsrichtung. Sie wirkt daher als Zentripetalkraft. Daraus ergibt sich, dass zwar die Richtung der Geschwindigkeit, nicht aber deren Betrag geändert wird. Als Bahnkurve ergibt sich dann ein Kreis. Der Radius der Kreisbahnen ist abhängig von:
Da Beschleunigungsspannung und Magnetfeld regelbar sind ergeben sich insbesondere aus der Abhängigkeit von Masse mehrere Anwendungsmöglichkeiten.
Eine genauere Beschreibung des Fadenstrahlrohrs erfolgt auf der untergeordneten Seite Fadenstrahlrohr. Der Kontext der Fernseherröhre bringt nun keine sinnvolle Vertiefung mehr. Stattdessen wird im fachlichen Kontext nach weitern geladenen Teilchen auf Kreisbahnen gesucht. Fündig wird man unter anderem bei der Massenspektroskopie. Sie ist ein wichtiges Analysenverfahren zur Bestimmung von chemischen Elementen, Molekülmassen und Massenfragmenten welches auf Experimente von Thomson (1899) zurückgeht. 1919 konstruierte Aston ein Gerät, das auf der Methode räumlich getrennter gekreuzter (senkrecht aufeinander stehender) Felder beruht. Nur für eine bestimmte Geschwindigkeit kompensieren sich beide Kräfte, so dass Teilchen gleicher Masse den Schirm im selben Punkt treffen. Man kann also durch entsprechende Auswahl von E und B jede beliebige Geschwindigkeit einstellen. Eine genauere Beschreibung der Massenspektroskopie erfolgt auf der untergeordneten Seite Massenspektroskop.
Ströme als Ursache von Magnetfeldern Eigentlich sollte ja nun zu Magnetfeldern schon alles gesagt sein, doch bei genauerer Betrachtung bleibt doch noch eine Frage offen. Wir wissen zwar, dass Magnetfelder durch Spulen erzeugt werden und können deren Stärke über den Hall Effekt messen - aber wäre es nicht möglich sie aus der Spulengeometrie direkt zu berechnen? Die Antwort ist ja (sonst würde ich die Frage ja wahrscheinlich auch nicht stellen).
Der rechnerische Ausdruck für das Magnetfeld eines langen Leiters ergibt sich dann zu: Nun werden Magnetfelder im Alltag nicht durch lange Leiter, sondern mit Spulen erzeugt. Daher ist es notwendig die Feldstärke direkt aus der Spulengeometrie berechnen zu können. Mögliche Abhängigkeiten B(I,n,l,A) werden im Unterricht experimentell untersucht. Daraus ergibt sich folgende Gleichung:
Bisher wurden alle Versuche mit Luft gefüllten Spulen durchgeführt. Aus der Sek I sollte aber noch bekannt sein, dass man die Magnetfelder beträchtlich verstärken kann, wenn ein Eisenkern in eine Spule eingeführt wird. Um die Magnetfeldbeeinflussung von Stoffen zu berücksichtigen wird die Permeabilitätszahl μr als ein weiterer, materialbezogener Proportionalitätsfaktor eingeführt. Für die Magnetfelder von Leitern und Spulen gilt dann:
Besondere Bedeutung kommt den ferromagnetischen Stoffen (Eisen und Ferrite, Kobalt, Nickel) zu, die in der Elektrotechnik häufig zum Einsatz kommen (Elektromotor, Transformator, Spule) da diese die Magnetfeldstärke zum Beispiel gegenüber Luft ganz erheblich erhöhen (2000 bis 3000). Eine genauere Beschreibung der Magnetfelder von Spulen erfolgt auf der untergeordneten Seite B-Feld Spule.
Eine genauere Beschreibung der Lenz´schen Regel zusammen mit Wirbelstrombremsen erfolgt auf der untergeordneten Seite Lenz´sche Regel.
Eine genauere Beschreibung des Selbstinduktion erfolgt auf der untergeordneten Seite Selbstinduktion. Energie des magnetischen Feldes Die Formel zur Energie des magnetischen Feldes werden im Unterricht nur kurz hergeleitet.
letzte Änderung: 20.7.2005 |
Leitete
im Kapitel der E-Felder die Funktionsweise eines Röhrenbildschirms
durch den Unterricht, so liegt die Frage nahe, ob auch die Bildröhre
eines Fernsehers genauso funktioniert. (An dieser Stelle kann dann
sehr schön eine Zusammenfassung erfolgen.)
, bzw. 
für den Fall das v
senkrecht zu B ist: 
Die
Lorentzkraft ermöglicht durch den so genannten Hall Effekt eine
besonders einfache Messung von Magnetfeldern. Seine Untersuchung
erfolgt außerhalb des Rahmenkontexts Fernsehröhre.
Mit der Lorentzkraft 
Eine weiter sehr schöne Anwendung der Erkenntnisse
über die Bewegung geladener Teilchen in Magnetfeldern sind die
Polarlichter.
Um Teilchen mit
Linearbeschleunigern auf immer größere Energien zu beschleunigen
waren immer größere Beschleunigungsstrecken notwendig. Schließlich
wurden diese zu groß. Man lenkte die zu beschleunigenden Teilchen
auf eine Kreisbahn, um die Beschleunigungsstrecke immer wieder
durchlaufen zu können.
Die Frequenz der
Wechselspannung muss so gewählt werden, dass beim Durchfliegen des
Spalts die Elektroden so gepolt sind, dass die Teilchen durch das
dort herrschende elektrische Feld beschleunigt werden.
.
bzw. 
.
Hier
wird eine Leiterschleife in ein räumlich begrenztes Magnetfeld
geschoben. Es ändert sich die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche,
deshalb wird beim Ein- und Austritt in das Magnetfeld eine Spannung
induziert.
Auch wenn sich eine Spule in einem zeitlich konstanten
homogenen Magnetfeld dreht, wird eine Spannung induziert.
zusammen
fassen.
