Um das Verhalten von freien Ladungsträgern zu untersuchen, eignen sich freie Elektronen gut, da sie durch den glühelektrischen Effekt leicht erzeugt werden können.
Demnach treten aus Metalloberflächen Elektronen aus, wenn man sie ausreichend erhitzt. Dieser Effekt wird auch in der Elektronenstrahlröhre zur Erzeugung von Elektronen verwendet.
Elektronenstrahlröhre
In einer Elektronenstrahlröhre wird die Kathode K erhitzt, wodurch freie Elektronen erzeugt werden. Diese Elektronen werden durch ein elektrisches Feld mit der Beschleunigungsspannung Ua zur Anode A hin beschleunigt. Dort treten sie gebündelt durch die runde Öffnung der Anode aus und treffen nach Durchlaufen des Feldes eines Ablenkkondensators auf den Leuchtschirm der Röhre.
Wir wissen, dass die elektrische Energiezunahme ΔE der Elektronen mithilfe der Potenzialdifferenz, die durchlaufen wird, berechnet werden kann:
ΔE=e⋅(ϕA−ϕK)=e⋅Ua
wobei e die Elementarladung, ϕA das Potenzial an der Anode und ϕK das Potenzial an der Kathode ist.
Die verfügbare elektrische Energie wird in kinetische Energie der Elektronen umgewandelt:
ΔE=Ekin→e⋅Ua=21⋅m⋅v2
Somit ergibt sich für die Endgeschwindigkeit v der Elektronen, welche an der Anodenöffnung gemessen werden kann:
v=m2⋅e⋅Ua
Bewegung im homogenen Feld
Wie bereits festgestellt, wirken auf freie Ladungsträger im elektrischen Feld Kräfte. Dadurch kann man allgemein auch sagen, dass freie Ladungsträger im elektrischen Feld immer beschleunigt werden:
a=mF=mq⋅E
Homogenes Längsfeld
Bewegt sich ein freier Ladungsträger entlang der Feldlinien eines homogenen Feldes, so können die Gesetze der geradlinig, gleichmässig beschleunigten Bewegung angewandt werden. Ein positiver Ladungsträger wird in Richtung der Feldlinien beschleunigt, ein negativer in entgegengesetzter Richtung.
Homogenes Querfeld
Tritt ein freier Ladungsträger senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Feldes in das Feld ein, so wird er parabelförmig abgelenkt. Die Bewegung erfolgt dann analog zu der beim waagrechten Wurf. In der Elektronenstrahlröhre treten die Elektronen mit einer Geschwindigkeit v0 in das homogene, elektrische Feld des Plattenkondensators ein, welches senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Elektronen befindet. Die Bewegung der Elektronen kann dann zerlegt werden in eine gleichmässige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit parallel zu den Kondensatorplatten (definiert als x-Richtung) und einer konstant beschleunigten Bewegung senkrecht zu den Kondensatorplatten (definiert als y-Richtung):
sx=v0⋅t
sy=21⋅a⋅t2
Setzt man die eine Gleichung in die andere ein, so ergibt sich für die Bahnkurve der Elektronen:
sy=21v02a⋅sx2
Beispiel
Elektronen werden durch eine Beschleunigungsspannung von Ua=5kV zur Anode beschleunigt. Mit welcher Geschwindigkeit passieren die Elektronen die Anodenöffnung?
Gegeben: Beschleunigungsspannung Ua=5kV
Gesucht: Geschwindigkeit der Elektronen ve
Lösung: Verwende die oben hergeleitete Formel und setze die Werte ein.
Lerne in kleinen Schritten mit Theorieeinheiten und wende das Gelernte mit Übungssets an!
Dauer:
Teil 1
Energieerhaltung und Umwandlung
Teil 2
Energie
Abkürzung
Erziele 80% um direkt zum letzten Teil zu springen.
Optional
Teil 3
Freie Ladungsträger im elektrischen Feld
Finaler Test
Test aller vorherigen Teile, um einen Belohnungsplaneten zu erhalten.
Erstelle ein kostenloses Konto, um mit den Übungen zu beginnen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie verhält sich ein freier Ladungsträger im Querfeld?
Tritt ein freier Ladungsträger senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Feldes in das Feld ein, so wird er parabelförmig abgelenkt.
Wie bewegt sich ein freier Ladungsträger in einem homogenen Längsfeld?
Bewegt sich ein freier Ladungsträger entlang der Feldlinien eines homogenen Feldes, so können die Gesetze der geradlinig, gleichmässig beschleunigten Bewegung angewandt werden. Ein positiver Ladungsträger wird in Richtung der Feldlinien beschleunigt, ein negativer in entgegengesetzter Richtung.
Was ist eine Elektronenstrahlröhre?
In einer Elektronenstrahlröhre werden zunächst freie Elektronen erzeugt, welche dann durch eine Beschleunigungsspannung in einem Längsfeld beschleunigt werden und dann in einem Querfeld abgelenkt werden, bevor sie auf einem Leuchtbildschirm auftreffen.