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GK Physik 3

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					GK Physik 3. Sem.: Übungen für die Klausur am 12.11.2008

1. Abgebildet ist eine Elektronenröhre, die in der Mitte eines Plattenkondensators eine
   kleine Glimmerscheibe enthält, die einen Elektronenstrahl „sichtbar“ machen kann.




   Die Röhre wird mit drei Stromversorgungsgeräten betrieben, ein Gerät sorgt für eine
   Heizspannung der Röhre (6,3 V), das zweite beschleunigt die Elektronen zwischen
   Minus- und Pluspol mit einer Spannung von etwa 5 kV, das dritte Gerät, das hier
   abgebildet ist, versorgt den Kondensator mit einer Spannung von ebenfalls etwa 5 bis 6
   kV.
   Zusätzlich befindet sich ein Helmholtz-Spulenpaar (nicht abgebildet) in der
   Versuchsanordnung, das mit einem noch anderen Stromversorgungsgerät mit einem
   Strom von etwa 2 A versorgt wird. Das Spulenpaar ist so angeordnet, dass das
   entstehende Magnetfeld den Kondensatorraum senkrecht zum E-Feld durchsetzt
   (Magnetfeldlinien zeigen in die Papierebene hinein.)


   1.1 Die Skizze zeigt, wie ein Elektronenstrahl ohne Magnetfeld im Kondensator verläuft,
       wenn die abgebildete Spannungsquelle eingeschaltet ist
       Beschreibe qualitativ genau die Bahn, die die Elektronen im Kondensator neh-
       men.

   1.2 Beschreibe, was passieren muss, wenn nun das Magnetfeld hinzugeschaltet wird
       und der Spulenstrom langsam erhöht wird.

   1.3 Nun wird das Magnetfeld plötzlich ausgeschaltet und auch die Spannungsquelle an
       dem Kondensator wird plötzlich entfernt. Dann stellt sich wieder die abgebildete
       Konfiguration ein, das heißt der Elektronenstrahl zeigt wieder nach oben, obwohl die
       Spannungsquelle entfernt worden ist. Erkläre, wieso das so ist.

2. Ein Dreiecksgenerator erzeugt in einer langen Feldspule ein homogenes Magnetfeld,
   dessen Flussdichte B proportional zur Zeit t wächst. Dieses wird durch einen linearen
   Stromanstieg in der Feldspule erreicht.
   Folgende Daten sind gegeben:
   die Stromstärke wächst während  t = 12 s um  I = 0,8 A an. Die Feldspule hat die
   Länge 30 cm und die Windungszahl 1500. Eine in ihr (parallel) liegende Induktionsspule
   habe kreisförmige Windungen (Radius der Spule r = 1,5 cm), die Windungszahl ist 800.
   Berechne die Spannung Uind , die in der Induktionsspule erzeugt wird.
3. Im Hochfeldlabor des MAX-PLANCK-Instituts in Grenoble können Magnetfelder mit der
   Flussdichte B = 20 T erzeugt werden ( das ist etwa eine Million Mal so stark wie das
   Erdmagnetfeld).
   In dieses Magnetfeld werde ein Alphateilchen (das sind positiv geladene Heliumkerne mit
   der Masse m = 6,64  10 – 27 kg) mit der kinetischen Energie Ekin = 4,8 MeV
   ( 1 eV = 1,6  10 – 19 J) eingeschossen. Es tritt senkrecht zu den Feldlinien in das
   Magnetfeld ein und durchläuft eine Kreisbahn mit dem Radius r. Das Alphateilchen
   bewegt sich im Hochvakuum.

   3.1 Berechne die Zeit für einen Umlauf, den das Alphateilchen auf seiner Kreisbahn
       braucht (Ergebnis: T = 6,52  10 – 9 s = 6,52 ns)

   3.2 Berechne den Radius der Kreisbahn ( Ergebnis r = 1,58 cm )

4. In einem homogenen Magnetfeld der Flussdichte B befindet sich eine flache
   Induktionsspule mit der Querschnittsfläche Ao = 40 cm2 und der Windungszahl n =
   500. Die Drehachse liegt in der Spulenebene und steht senkrecht auf den Feldlinien des
   Magnetfeldes. Wenn die Induktionsspule mit konstanter Frequenz f rotiert, wird in ihr
   eine sinusförmige Wechselspannung mit dem Scheitelwert Uo induziert. Indem f auf
   verschiedene Werte eingestellt wird, ermittelt man die folgende Messreihe:

                           f in Hz          16    22     28    36
                           U0 in V          0,34 0,46 0,59 0,75

   4.1 Zeige, dass Uo direkt proportional zu f ist und ermittle den Proportionalitätsfaktor k.
   4.2 Bestätige ausgehend vom Induktionsgesetz, dass für den Proportionalitätsfaktor k
       aus 1.1 gilt: k  2  n  A o  B . Berechne B (Ergebnis für B: B = 1,67 mT).

				
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