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Wienfilter

Physik Abiturthemen / Magnetismus / Wienfilter
Luke

Um den Wienfilter zu verstehen, muss man sich die Bewegung eines Teilchen (in unserem Beispiel ein Elektron) in einem Plattenkondensator ansehen.


Hier erkennen wir eine parabelförmige Flugbahn. Außerdem ist zu erwähnen, dass das Elektron hin zur positiven Platte beschleunigt wird und die Kraft somit nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung steht.

Bewegung des Elektron
Um die Bahnkurve darzustellen, brauchen wir folgende Funktionen: x(t), y(t) und y(x).

Geschwindigkeit: Um die Geschwindigkeit zu berechnen, lässt sich ein Dreieck aus der Geschwindigkeit in x-Richtung und y-Richtung die resultierende Richtung berechnen. Somit kommt man auf folgende Formel unter Verwendung des Satzes des Pythagoras: v=vx2+vy2 

Nun können wir x(t) aufstellen, da die Funktion eine gradlinig gleichförmige Bewegung ist:
x(t)=v0⋅t 

Um die Funktion y(t) aufzustellen, müssen wir die Beschleunigung berechnen, da das Elektron zur Platte beschleunigt wird. Hierzu setzen wir über einen Energieansatz zwei Kräfte gleich:
F=Fel 
m⋅ay=E⋅q=Ud⋅q 
ay=U⋅qd⋅mq 

Somit haben wir folgende Funktion:
y(t)=12⋅ay⋅t2 | ay einsetzen
y(t)=12⋅U⋅qd⋅mq⋅t2 

Nun führen wir eine Parametertransformation durch, um die Funktion y(x) zu bekommen:
t=xv0 
y(x)=12⋅U⋅qd⋅mq⋅(xv0)2=U⋅q2⋅d⋅mq⋅v02⋅x2 

Jetzt können wir noch die Formel v(t) aufstellen:
v=vx2+vy2 | vx=v0 
v=v02+vy2 | vy=ay⋅t=U⋅qd⋅mq⋅t 
v(t)=v02+(U⋅qd⋅mq⋅t)2 

Wienfilter
Der Wienfilter ist ein Filter für geladene Teilchen. Nur die Teilchen mit der richtigen Geschwindigkeit kommen durch den Wienfilter:


Hinweis: Gleicher Betrag der Kraft Fl in eintgegengesetzter Richtung, hebt die Kraft Fel auf.

Da die Geschwindigkeit die Kraft Fl beeinflusst (Fl=B⋅v⋅q) , wird das Elektron nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit durch den Wienfilter gelangen; ansonsten würde eine der beiden Kräfte überwiegen, da eine Differenz entstehen würde (Fel≠Fl ).

Nun kann man die nöige Geschwindigkeit berechnen, die das Elektron braucht, um durch den Wienfilter zu kommen:
Fel=Fl 
Ud⋅q=B⋅v⋅q 
Ud=B⋅v 
v=UdB=EB