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Versuche

FRANCK-HERTZ-Versuch mit Ne - Einfluss der Gegenspannung (IBE der FU Berlin/QUA-LiS NRW)

Das Ziel des Versuchs

  • Demonstration des Einflusses der Gegenspannung auf die Messwerte

Ohne die Gegenspannung wäre es nicht möglich, die typische Messkurve, also das wiederholte Abfallen der Messwerte, zu erzeugen. Durch eine geschickte Wahl der Gegenspannung kann der Verlauf der Kurve so optimiert werden, dass die "Berge" der Kurve besonders gut ausprägt sind und die Daten entsprechend gut ausgewertet werden können.

Aufbau und Durchführung
  • Klicke das Bedienfeld des Steuergeräts an und vergrößere es dadurch.
  • Stelle den linken Wahlschalter auf dem Bedienfeld auf \(U_3\).
  • Wähle mit dem kleinen Drehregler links davon die gewünschte Gegenspannung zwischen \(5{,}0\,\rm{V}\) und \(9{,}0\,\rm{V}\).
  • Starte (nach einem evtl. notwendigen "RESET") die automatische Messung durch Einstellen des Drehknopfs auf "AUTO".
  • Beobachte die sich ergebende Messkurve.
  • Du kannst nun die Gegenspannung ändern und weitere Messkurven aufnehmen.
  • Im vergrößerten Monitorbild kannst du die Messwertkurven durch "CLR" löschen und zum Messen von Abständen über \(\Delta U_2\) vertikale Hilfslinien einblenden, von denen beide verschoben werden können.

Abb. 2 Franck-Hertz-Versuch (Ne) – Einfluss der Gegenspannung (© 2020, Freie Universität Berlin | AG Didaktik der Physik in Zusammenarbeit mit QUA-LiS NRW)

Beobachtung
Aufgabe

Nimm die Messkurven für unterschiedliche Gegenspannungen auf.

Beschreibe die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede zwischen den Kurven mit unterschiedlicher Gegenspannung.

Lösung

Gemeinsamkeiten

Alle Kurven zeigen prinzipiell einen ähnlichen Verlauf, bei dem abwechselnd Maxima und Minima im gleichen Abstand entstehen.

Die Maxima befinden sich bei allen Kurven an der gleichen Stelle.

Unterschiede

Von Null verschiedene Messwerte treten bei den Kurven zu höheren Gegenspannungen erst später ein.

Bei gleichen Beschleunigungsspannungen sind die Anodenstromstärken umso größer, je kleiner die Gegenspannung ist.

Die Minima sind bei größeren Gegenspannungen etwas nach rechts verschoben.

Miss mit Hilfe des Auswertungstools (rote Hilfslinien, ΔU2 anklicken) den jeweiligen Versatz der Einsatzpunkte der Kurven (erstmaliges Ansteigen).

Prüfe diesen in Bezug auf den Unterschied der Größen der jeweils eingestellten Gegenspannungen.

Lösung

Die Kurven steigen erstmalig an, wenn die Beschleunigungsspannung größer als die Gegenspannung ist, U2 > U3. Die ist einleuchtend, da wenn U2 < U3 ist, reicht die kinetische Energie der Elektronen
nicht aus, um das Gegenfeld zu überwinden.

Erklärung
Aufgabe

Begründe, warum die Lage der (relativen) Maxima der aufgenommenen Kurven bei Veränderung der Gegenspannung gleich bleibt.

Lösung

Die Lage der Maxima bleibt gleich, da diese genau die Stellen markieren, wo die Elektronen erstmals hinreichend beschleunigt wurden, um einen unelastischen Stoß durchzuführen und diese Stelle / dieser Wert unabhängig von der Gegenspannung ist.

Begründe, warum sich die Minima immer weiter nach rechts verschieben.

Beschreibe und begründe, wie die Kurve aussehen würde, wenn die Gegenspannung U3 = 20 V betragen würde.

Lösung

Die Lage der Minima verschiebt sich nach rechts, da die Elektronen nach dem Stoß ja erstmal wieder hinreichend Energie haben müssen, um die Gegenspannung zu überwinden und je größer die Gegenspannung, desto stärker müssen sie nach dem Stoß
wieder beschleunigt werden.

Bei einer Gegenspannung von 20V wäre der Anodenstrom (annähernd) konstant Null. Alle Elektronen, die hinreichend Energie hätten, um die Gegenspannung zu überwinden, hätten auch genug Energie für einen unelastischen Stoß. D.h. (fast) alle Elektronen würden ihre Energie bei dem Stoß abgeben und somit die Auffängerelektrode nicht erreichen.

 

Hinweis: Aufgabenstellungen und Lösungen nach: Franck-Hertz-Versuch mit Ne - Einfluss der Gegenspannung (© 2020 Freie Universität Berlin | AG Didaktik der Physik in Zusammenarbeit mit QUA-LiS NRW)