Elektronenstrahl
Ein Lernweg mit Animation, Erklärung und Dialog mit ChatGPT zur Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern. Du erforschst, wie elektrische Kraft und Lorentzkraft die Bahn eines Elektronenstrahls beeinflussen.
1. Animation starten
Starte zunächst die BIGS® Animation. Beobachte, wie sich der Elektronenstrahl in einem elektrischen Feld, in einem magnetischen Feld und bei gleichzeitig wirkenden Feldern bewegt.
Verändere die elektrische Spannung, die magnetische Flussdichte und die Geschwindigkeit der Elektronen. Achte darauf, wann der Elektronenstrahl abgelenkt wird und wann er sich geradlinig bewegt.
2. Erklärung
Ein Elektronenstrahl besteht aus sehr vielen bewegten Elektronen. Elektronen besitzen eine negative elektrische Ladung. Deshalb reagieren sie auf elektrische und magnetische Felder.
Elektrisches Feld
Befindet sich ein Elektron in einem elektrischen Feld, wirkt auf das Elektron eine elektrische Kraft.
Da ein Elektron negativ geladen ist, wirkt die elektrische Kraft entgegen der Richtung des elektrischen Feldes. Der Elektronenstrahl wird deshalb zur positiv geladenen Platte abgelenkt.
Magnetisches Feld
Bewegt sich ein Elektron durch ein magnetisches Feld, kann die Lorentzkraft auf das Elektron wirken.
Stehen Bewegungsrichtung und Magnetfeld senkrecht aufeinander, ist die Lorentzkraft besonders groß. Sie wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Elektrons und kann den Elektronenstrahl auf eine Kreisbahn zwingen.
Je größer die Geschwindigkeit der Elektronen ist, desto größer wird der Radius der Kreisbahn. Je stärker das Magnetfeld ist, desto kleiner wird der Radius.
Gekreuzte elektrische und magnetische Felder
Wirken ein elektrisches und ein magnetisches Feld gleichzeitig, können elektrische Kraft und Lorentzkraft entgegengesetzt gerichtet sein.
Sind beide Kräfte gleich groß, heben sie sich gegenseitig auf. Der Elektronenstrahl wird dann nicht abgelenkt. Nur Elektronen mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen sich geradlinig durch die gekreuzten Felder. Diese Anordnung wird als Geschwindigkeitsfilter bezeichnet.
- q steht für die elektrische Ladung des Elektrons.
- E steht für die elektrische Feldstärke.
- v steht für die Geschwindigkeit des Elektrons.
- B steht für die magnetische Flussdichte.
- m steht für die Masse des Elektrons.
- r steht für den Radius der Kreisbahn.
3. Dialog mit ChatGPT
Beantworte die Fragen zunächst selbst. Nach Deiner Antwort erhältst Du Rückmeldungen. Anschließend kannst Du die Zusammenhänge gemeinsam mit ChatGPT weiter vertiefen.
Beispielfrage
Warum wird ein Elektronenstrahl in einem elektrischen Feld zur positiv geladenen Platte abgelenkt?
Vertiefende Frage
Warum kann die Lorentzkraft einen Elektronenstrahl auf eine Kreisbahn zwingen?
Anwendungsfrage
Unter welcher Bedingung bewegt sich ein Elektronenstrahl in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern geradlinig?
4. Kerngedanke
Elektrische Felder üben auf geladene Teilchen eine elektrische Kraft aus. Magnetische Felder wirken auf bewegte geladene Teilchen durch die Lorentzkraft.
Im Magnetfeld steht die Lorentzkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung und kann den Elektronenstrahl auf eine Kreisbahn lenken. In gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern kann sich der Elektronenstrahl geradlinig bewegen, wenn elektrische Kraft und Lorentzkraft gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind.