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Wasserräder
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 Ausführung von Wasserrädern: das oberschlächtige und das unterschlächtige WasserradZur Arbeit wurden schon sehr…
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 Ausführung von Wasserrädern: das oberschlächtige und das unterschlächtige WasserradZur Arbeit wurden schon sehr…
Zur AufgabeNatureis-Bobbahn St.Moritz-Celerina
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Übungsaufgaben
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Adrian Michael, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons Abb. 1 Horse-Shoe-Kurve im SommerDer OLYMPIA BOBRUN ST.MORITZ-CELERINA wurde 1904 in…
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Adrian Michael, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons Abb. 1 Horse-Shoe-Kurve im SommerDer OLYMPIA BOBRUN ST.MORITZ-CELERINA wurde 1904 in…
Zur AufgabeHalfpipe verjüngt
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 verjüngte HalfpipeEin Freizeitpark stellt Skatern verschiedene Bahnen zur Verfügung. Die Läufer werden im…
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 verjüngte HalfpipeEin Freizeitpark stellt Skatern verschiedene Bahnen zur Verfügung. Die Läufer werden im…
Zur AufgabeKippschwingung beim Überlauf
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 Skizze zur AufgabeDas Bild zeigt eine Anordnung, bei der die Wasseroberfläche eines Beckens mit Zu- und Ablauf…
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 Skizze zur AufgabeDas Bild zeigt eine Anordnung, bei der die Wasseroberfläche eines Beckens mit Zu- und Ablauf…
Zur AufgabeVergleich von Flachbatterie und Haushaltsnetz
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Übungsaufgaben
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Eine Flachbatterie besteht aus drei gleichartigen Zellen von je 1,5V Spannung. …
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Eine Flachbatterie besteht aus drei gleichartigen Zellen von je 1,5V Spannung. …
Zur AufgabeEine englische Aufgabe
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Übungsaufgaben
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 A ball rolls off a cliffHinweis: Die folgende Aufgabe "A ball rolls off of a cliff" stammt von Professor…
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Joachim Herz Stiftung Abb. 1 A ball rolls off a cliffHinweis: Die folgende Aufgabe "A ball rolls off of a cliff" stammt von Professor…
Zur AufgabePotentielle Energie im homogenen elektrischen Feld
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Erarbeitungsaufgaben
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Auch bei der Bewegung von geladenen Körpern im homogenen Feld des Plattenkondensators wirkt eine konstante Kraft, nämlich die elektrische Kraft…
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Auch bei der Bewegung von geladenen Körpern im homogenen Feld des Plattenkondensators wirkt eine konstante Kraft, nämlich die elektrische Kraft…
Zur AufgabeBestimmung des Gleitreibungskoeffizienten
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Zur AufgabePotential und elektrische Spannung
Grundwissen
- Die Potentialdifferenz \(\Delta {\varphi _{\rm{AB}}}\) ist der Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie \(\Delta {E_{{\rm{pot}}{\rm{,AB}}}}\) und der Probeladung \(q\).
- Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten A und B ist die Spannung \(U_{\rm{AB}}\).
- Alle Punkte mit gleichem Potential befinden sich auf einer Äquipotentiallinie.
Grundwissen
- Die Potentialdifferenz \(\Delta {\varphi _{\rm{AB}}}\) ist der Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie \(\Delta {E_{{\rm{pot}}{\rm{,AB}}}}\) und der Probeladung \(q\).
- Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten A und B ist die Spannung \(U_{\rm{AB}}\).
- Alle Punkte mit gleichem Potential befinden sich auf einer Äquipotentiallinie.
Der Transistor-Effekt
Grundwissen
- Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt).
- Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.
Grundwissen
- Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt).
- Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.
Ladungseigenschaften
Grundwissen
- Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- In Leitern können sich negative Ladungen relativ frei bewegen.
- Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.
Grundwissen
- Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- In Leitern können sich negative Ladungen relativ frei bewegen.
- Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.
Raketenphysik
Grundwissen
- Der Antrieb von Raketen beruht auf dem Rückstoßprinzip beim Ausströmen des Treibstoffs aus der Rakete.
- Unter bestimmten Annahmen kann man die Geschwindigkeit und die Höhe der Rakete nach dem Ausströmen des gesamten Treibstoffs berechnen.
- Beide Größen sind unter anderem von der Ausströmgeschwindigkeit des Treibstoffs und dem Massenverhältnis von Rakete mit zu Rakete ohne Treibstoff abhängig.
Grundwissen
- Der Antrieb von Raketen beruht auf dem Rückstoßprinzip beim Ausströmen des Treibstoffs aus der Rakete.
- Unter bestimmten Annahmen kann man die Geschwindigkeit und die Höhe der Rakete nach dem Ausströmen des gesamten Treibstoffs berechnen.
- Beide Größen sind unter anderem von der Ausströmgeschwindigkeit des Treibstoffs und dem Massenverhältnis von Rakete mit zu Rakete ohne Treibstoff abhängig.
Gravitationsfeld
Grundwissen
- Im Raum um eine Masse herrscht ein Gravitationsfeld. Dieses Gravitationsfeld übertragt die Kraftwirkung dieser Masse auf andere Massen.
- Als Gravitationsfeldstärke definieren wir den Quotienten aus der Gravitationskraft \({\vec F_{\rm{G}}}\) auf einen Probekörper und der Masse \(m\) des Probekörpers: \(\vec g = \frac{{{{\vec F}_{\rm{G}}}}}{m}\).
- Der Betrag \(g\) der Gravitationsfeldstärke im Raum um eine punktförmige Masse ist proportional zu deren Masse \(M\) und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands \(r\) zur Masse \(M\) (radiales Gravitationsfeld): \(g = G \cdot \frac{M}{{{r^2}}}\) mit der Gravitationskonstante \(G = 6{,}673 \cdot {10^{ - 11}}\,\frac{{{{\rm{m}}^3}}}{{{\rm{kg}} \cdot {{\rm{s}}^2}}}\).
- Der Betrag \(g\) der Gravitationsfeldstärke an der Erdoberfläche ist konstant (homogenes Gravitationsfeld). Wir nutzen den Wert \(g = 9{,}81\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{kg}}}}\).
Grundwissen
- Im Raum um eine Masse herrscht ein Gravitationsfeld. Dieses Gravitationsfeld übertragt die Kraftwirkung dieser Masse auf andere Massen.
- Als Gravitationsfeldstärke definieren wir den Quotienten aus der Gravitationskraft \({\vec F_{\rm{G}}}\) auf einen Probekörper und der Masse \(m\) des Probekörpers: \(\vec g = \frac{{{{\vec F}_{\rm{G}}}}}{m}\).
- Der Betrag \(g\) der Gravitationsfeldstärke im Raum um eine punktförmige Masse ist proportional zu deren Masse \(M\) und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands \(r\) zur Masse \(M\) (radiales Gravitationsfeld): \(g = G \cdot \frac{M}{{{r^2}}}\) mit der Gravitationskonstante \(G = 6{,}673 \cdot {10^{ - 11}}\,\frac{{{{\rm{m}}^3}}}{{{\rm{kg}} \cdot {{\rm{s}}^2}}}\).
- Der Betrag \(g\) der Gravitationsfeldstärke an der Erdoberfläche ist konstant (homogenes Gravitationsfeld). Wir nutzen den Wert \(g = 9{,}81\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{kg}}}}\).
Gleichgewicht von Kräften (Einführung)
Grundwissen
- Zwei oder mehr Kräfte können sich unter bestimmten Bedingungen ausgleichen.
- Zwei Kräfte, die an einem Körper angreifen, sind im Kräftegleichgewicht, wenn sie den gleichen Betrag und die gleiche Wirkungslinie haben, aber in entgegengesetzte Richtungen wirken. Die resultierende Kraft ist dann null.
- Befindet sich ein Körper im Zustand der Ruhe (v=0) oder der gleichförmigen Bewegung (v=konstant), so ist die resultierende Kraft null.
Grundwissen
- Zwei oder mehr Kräfte können sich unter bestimmten Bedingungen ausgleichen.
- Zwei Kräfte, die an einem Körper angreifen, sind im Kräftegleichgewicht, wenn sie den gleichen Betrag und die gleiche Wirkungslinie haben, aber in entgegengesetzte Richtungen wirken. Die resultierende Kraft ist dann null.
- Befindet sich ein Körper im Zustand der Ruhe (v=0) oder der gleichförmigen Bewegung (v=konstant), so ist die resultierende Kraft null.
Charakterisierung der gleichförmigen Kreisbewegung
Grundwissen
- Ein Körper befindet sich in einer gleichförmigen Kreisbewegung, wenn er sich auf einer Kreisbahn mit konstantem Radius bewegt und auf seiner Bahn in gleich langen Zeitspannen gleich lange Strecken zurücklegt.
- Da sich aber die Bewegungsrichtung des Körpers ständig ändert, ist die gleichförmige Kreisbewegung - trotz ihres Namens - eine beschleunigte Bewegung.
Grundwissen
- Ein Körper befindet sich in einer gleichförmigen Kreisbewegung, wenn er sich auf einer Kreisbahn mit konstantem Radius bewegt und auf seiner Bahn in gleich langen Zeitspannen gleich lange Strecken zurücklegt.
- Da sich aber die Bewegungsrichtung des Körpers ständig ändert, ist die gleichförmige Kreisbewegung - trotz ihres Namens - eine beschleunigte Bewegung.
Ein- und Ausschalten von RC-Kreisen
Grundwissen
- Ladung auf dem Kondensator, Strom im Kreis, und die Spannungen über dem Widerstand und dem Kondensator können beim Ein- und Ausschalten mit Exponentialfunktionen beschrieben werden.
- Für die Halbwertszeit der Größen gilt jeweils \({t_H} = R \cdot C \cdot \ln \left( 2 \right)\).
Grundwissen
- Ladung auf dem Kondensator, Strom im Kreis, und die Spannungen über dem Widerstand und dem Kondensator können beim Ein- und Ausschalten mit Exponentialfunktionen beschrieben werden.
- Für die Halbwertszeit der Größen gilt jeweils \({t_H} = R \cdot C \cdot \ln \left( 2 \right)\).
Gewichtskraft
Grundwissen
- Die Ursache der Gewichtskraft eines Körpers ist die Anziehung zwischen der Erde und dem Körper.
- Aufgrund seiner Gewichtskraft erfährt jeder Körper eine Beschleunigung in Richtung Erdboden, die sogenannte Fallbeschleunigung.
- Die Fallbeschleunigung hat auf der Erde den Wert \(g=9{,}81\,\rm{\frac{m}{s^2}}\), auf anderen Himmelskörpern andere Werte.
- Für die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G}}\) gilt \(\vec{F}_{\rm{G}}=m\cdot g\).
Grundwissen
- Die Ursache der Gewichtskraft eines Körpers ist die Anziehung zwischen der Erde und dem Körper.
- Aufgrund seiner Gewichtskraft erfährt jeder Körper eine Beschleunigung in Richtung Erdboden, die sogenannte Fallbeschleunigung.
- Die Fallbeschleunigung hat auf der Erde den Wert \(g=9{,}81\,\rm{\frac{m}{s^2}}\), auf anderen Himmelskörpern andere Werte.
- Für die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G}}\) gilt \(\vec{F}_{\rm{G}}=m\cdot g\).
Goldene Regel der Mechanik
Grundwissen
- Durch Einsatz eines Kraftwandlers muss man oft weniger Kraft aufbringen, diese aber dann entlang eines längeren Weges.
- Das Produkt aus Kraft (entlang des Weges) und Weg ändert sich nicht beim Einsatz eines Kraftwandlers.
- Physikalische Arbeit kann nicht "gespart" werden.
Grundwissen
- Durch Einsatz eines Kraftwandlers muss man oft weniger Kraft aufbringen, diese aber dann entlang eines längeren Weges.
- Das Produkt aus Kraft (entlang des Weges) und Weg ändert sich nicht beim Einsatz eines Kraftwandlers.
- Physikalische Arbeit kann nicht "gespart" werden.
Auftriebskraft
Grundwissen
- Auftriebskräfte wirken auf Körper, die ganz oder teilweise in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetaucht sind.
- Der Betrag der Auftriebskraft ist \({F_{\rm{A}}} = {\rho _{{\rm{Medium}}}} \cdot {V_{\rm{K}}} \cdot g\) (Gesetz des Archimedes).
Grundwissen
- Auftriebskräfte wirken auf Körper, die ganz oder teilweise in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetaucht sind.
- Der Betrag der Auftriebskraft ist \({F_{\rm{A}}} = {\rho _{{\rm{Medium}}}} \cdot {V_{\rm{K}}} \cdot g\) (Gesetz des Archimedes).
KIRCHHOFFsche Gesetze für Fortgeschrittene
Grundwissen
- Die Knotenregel kann auch bei beliebig vielen zu- und abfließenden Strömen genutzt werden.
- Die Maschenregel gilt auch bei mehreren Quellen in einem Stromkreis.
- So lassen sich auch Ströme und Spannungen in sehr komplexen Schaltungen berechnen.
Grundwissen
- Die Knotenregel kann auch bei beliebig vielen zu- und abfließenden Strömen genutzt werden.
- Die Maschenregel gilt auch bei mehreren Quellen in einem Stromkreis.
- So lassen sich auch Ströme und Spannungen in sehr komplexen Schaltungen berechnen.
Festlegung der Dichte
Grundwissen
- Die Masse \({m}\) eines Materials und das Volumen \({V}\) des Materials sind proportional zueinander.
- Die Dichte \({\rho}\) ist der Quotient aus Masse und Volumen: \({\rho=\frac{m}{V} }\)
- Die Einheit der Dichte ist \({\left[ \rho \right] = 1\,\rm{\frac{{kg}}{{{m^3}}}}}\)
Grundwissen
- Die Masse \({m}\) eines Materials und das Volumen \({V}\) des Materials sind proportional zueinander.
- Die Dichte \({\rho}\) ist der Quotient aus Masse und Volumen: \({\rho=\frac{m}{V} }\)
- Die Einheit der Dichte ist \({\left[ \rho \right] = 1\,\rm{\frac{{kg}}{{{m^3}}}}}\)
Von Ladung zum elektrischen Strom
Grundwissen
- Werden fortlaufend elektrische Ladungen transportiert, so fließt ein elektrischer Strom.
- Je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche in einem Leiter fließen, desto größer ist die Stromstärke \(I\) im Leiter.
- Es gilt \({\text{Stromstärke}}=\frac{{{\text{Ladung durch Testfläche}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\), also \(I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\)
Grundwissen
- Werden fortlaufend elektrische Ladungen transportiert, so fließt ein elektrischer Strom.
- Je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche in einem Leiter fließen, desto größer ist die Stromstärke \(I\) im Leiter.
- Es gilt \({\text{Stromstärke}}=\frac{{{\text{Ladung durch Testfläche}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\), also \(I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\)
Elektrische Spannung und Energie
Grundwissen
- Elektrische Spannung kann gut in Analogie mit dem offenen Wasserkreislauf verstanden werden.
- Die Spannung einer elektrischen Quelle ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Ladung und dem Ladungsbetrag: \(U = \frac{{{E_{pot}}}}{Q}\)
Grundwissen
- Elektrische Spannung kann gut in Analogie mit dem offenen Wasserkreislauf verstanden werden.
- Die Spannung einer elektrischen Quelle ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Ladung und dem Ladungsbetrag: \(U = \frac{{{E_{pot}}}}{Q}\)
Reihenschaltung von Widerständen
Grundwissen
- Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier in Reihe geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(R_{12}=R_1 + R_2\)
- Der Gesamtwiderstands einer Reihenschaltung ist stets größer als der größte Einzelwiderstand.
Grundwissen
- Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier in Reihe geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(R_{12}=R_1 + R_2\)
- Der Gesamtwiderstands einer Reihenschaltung ist stets größer als der größte Einzelwiderstand.
Elektrische Arbeit und Leistung
Grundwissen
- Die elektrische Arbeit berechnest du mittels \(W_{\rm{el}}=U\cdot I\cdot t\)
- Typische Einheiten sind \(1\,\rm{J}\) (Joule) oder \(1\,\rm{kWh}\) (Kilowattstunde)
- Für die elektrische Leistung gilt \(P_{\rm{el}}=U\cdot I = I^2\cdot R\)
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- Die elektrische Arbeit berechnest du mittels \(W_{\rm{el}}=U\cdot I\cdot t\)
- Typische Einheiten sind \(1\,\rm{J}\) (Joule) oder \(1\,\rm{kWh}\) (Kilowattstunde)
- Für die elektrische Leistung gilt \(P_{\rm{el}}=U\cdot I = I^2\cdot R\)
Transformator
Grundwissen
- Transformatoren arbeiten i.d.R. immer mit Wechselspannungen und basieren auf Induktion.
- Transformatoren besitzen eine Primär- und eine Sekundärseite.
- Man unterscheidet zwischen unbelastetem und belastetem Transformator.
Grundwissen
- Transformatoren arbeiten i.d.R. immer mit Wechselspannungen und basieren auf Induktion.
- Transformatoren besitzen eine Primär- und eine Sekundärseite.
- Man unterscheidet zwischen unbelastetem und belastetem Transformator.
Reflexion
Grundwissen
- Bei der Reflexion einer Welle muss man unterscheiden, ob die Welle an einem festen oder an einem losen Ende des Wellenträgers reflektiert wird.
- Bei der Reflexion einer Welle am festen Ende des Wellenträgers tritt ein Phasensprung auf - aus einem Wellenberg wird ein Wellental und aus einem Wellental ein Wellenberg.
- Bei der Reflexion einer Welle am losen Ende des Wellenträgers tritt kein Phasensprung auf - ein Wellenberg bleibt ein Wellenberg und ein Wellental ein Wellental.
Grundwissen
- Bei der Reflexion einer Welle muss man unterscheiden, ob die Welle an einem festen oder an einem losen Ende des Wellenträgers reflektiert wird.
- Bei der Reflexion einer Welle am festen Ende des Wellenträgers tritt ein Phasensprung auf - aus einem Wellenberg wird ein Wellental und aus einem Wellental ein Wellenberg.
- Bei der Reflexion einer Welle am losen Ende des Wellenträgers tritt kein Phasensprung auf - ein Wellenberg bleibt ein Wellenberg und ein Wellental ein Wellental.
Vorübungen zur Kräftezerlegung
Grundwissen
- Damit du ein Kräfteparallelogramm eindeutig zeichnen kannst, benötigst du z.B. die Länge der Diagrammdiagonalen und die Richtungen der beiden Seiten.
- Die Richtungen der beiden Seiten müssen dabei aus dem physikalischen Problem, z.B. der schiefen Ebene, gewonnen werden.
Grundwissen
- Damit du ein Kräfteparallelogramm eindeutig zeichnen kannst, benötigst du z.B. die Länge der Diagrammdiagonalen und die Richtungen der beiden Seiten.
- Die Richtungen der beiden Seiten müssen dabei aus dem physikalischen Problem, z.B. der schiefen Ebene, gewonnen werden.
Dotierte Halbleiter
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen n-dotierten und p-dotierten Halbleitern (kurz n- bzw. p-Halbleiter).
- Bei n-Halbleitern entstehen frei bewegliche Elektronen auf einem Untergrund positiver, ortsfester Atomrümpfe.
- Bei p-Halbleitern entstehen frei bewegliche "Löcher" auf einem Untergrund negativer, ortsfester Atomrümpfe.
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen n-dotierten und p-dotierten Halbleitern (kurz n- bzw. p-Halbleiter).
- Bei n-Halbleitern entstehen frei bewegliche Elektronen auf einem Untergrund positiver, ortsfester Atomrümpfe.
- Bei p-Halbleitern entstehen frei bewegliche "Löcher" auf einem Untergrund negativer, ortsfester Atomrümpfe.
WIENscher Geschwindigkeitsfilter
Grundwissen
- Ein WIENscher Geschwindigkeitsfilter besteht aus einem homogenen elektrischen Feld und einem homogenen magnetischem Feld, die senkrecht zueinander stehen. Die Elektronen treten senkrecht zu beiden Feldern ein.
- Nur wenn ein Elektron die passende Geschwindigkeit \(v=\frac{E}{B}\) besitzt, sind die elektrische Kraft und die LORENTZ-Kraft auf das Elektronen gleich groß und es passiert den Geschwindigkeitsfilter.
Grundwissen
- Ein WIENscher Geschwindigkeitsfilter besteht aus einem homogenen elektrischen Feld und einem homogenen magnetischem Feld, die senkrecht zueinander stehen. Die Elektronen treten senkrecht zu beiden Feldern ein.
- Nur wenn ein Elektron die passende Geschwindigkeit \(v=\frac{E}{B}\) besitzt, sind die elektrische Kraft und die LORENTZ-Kraft auf das Elektronen gleich groß und es passiert den Geschwindigkeitsfilter.