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Klausur - Aufgabenstellung
Thema: Halleffekt, Induktion
und Bewegung geladener Teilchen
Hinweis: Durch Klicken auf die Aufgabennummern
gelangen Sie zu der zugehörigen Lösung.
1. Hall-Effekt
Beschreiben Sie den Versuchsaufbau und -ablauf beim Hall-Effekt! Hinweis:
Skizzieren Sie dazu eine quaderförmige Metallplatte der Länge
L = 3,5cm, der Höhe h = 3,5mm und der Tiefe b = 0,05mm. Das B-Feld
soll aus der Zeichenebene herausweisen. Erklären Sie das Auftreten
der Hallspannung. Kennzeichnen Sie die Kräfte, die auf ein Elektron
wirken, durch Vektorpfeile. Die Polung der Hallspannung ist anzugeben. (Mit
Begründung)
Leiten Sie die Gleichung für die Hall-Spannung her:
RH = Hallkonstante Dabei ist ne die Elektronendichte.
Hinweis: Verwenden Sie bei der Herleitung die Gleichung: I = ne
* e * vD * A mit der Driftgeschwindigkeit vD und der
Querschnittsfläche A.
Bei einem Versuch zum Hall-Effekt bei Silber wurde eine Hallspannung von
16 mV gemessen. Die Stromstärke betrug 6,3 A, die magnetische Feldstärke
B=1,2 T und die Dicke b siehe 1.1. Berechnen Sie die Hall-Konstante RH
und die Elektronendichte ne. Hinweis. e = 1,602*10-19 As.
Für Wismut beträgt die Hall-Konstante RH = 5 * 10-7
m3/As. Berechnen Sie die magnetische Flußdichte B, wenn
bei einer Stromstärke von 5 A eine Hallspannung von 25 mV gemessen
wird, b wie in 1.1
2. Bewegung geladener Teilchen
Natürliches Lithium ist ein Gemisch der beiden Isotope 7Li
und 6Li. In der Ionisationskammer K1 werden diese
Atome so ionisiert, daß sie ein Elektron verlieren. Die Lithium-Ionen
7Li+ und 6Li+ haben die Massen m1 = 7mu
und m2 = 6mu mit mu = 1,66*10-27
kg. Die Ionen treten bei P1 mit vernachlässigbarer Geschwindigkeit
in die Beschleunigungskammer K2 ein, die als Plattenkondensator
ausgebildet ist. Hier durchlaufen die von P1 bis P2
eine Spannung von 10 kV. (Siehe Skizze)
Mit welchen Geschwindigkeiten v1 bzw. v2 treten die
Ionen bei P2 in die Trennkammer K3 ein?
K3 wird von einem homogenen Magnetfeld durchsetzt, das senkrecht
zur Zeichenebene gerichtet ist. Die Ionen treffen in R und S auf (Siehe
Skizze). Wie groß ist die magnetische Feldstärke B, wenn RS
= 5.0 cm beträgt? Welche Ionen treten in S auf? Wie weit ist es von
P2 entfernt?
3. Induktion
Eine lange Leiterschleife mit der Breite l = 10 cm bewegt sich mit der konstanten
Geschwindigkeit von v = 2 m/s in Richtung auf den Erdmittelpunkt und senkrecht
zu den Feldlinien eines Magnetfeldes in dieses Magnetfeld hinein. Die magnetische
Feldstärke ist B = 4 T.
Bestimme den in der Leiterschleife (R = 5 Ohm) induzierten Strom und gib
seine Richtung an.
Wie groß sind die auf die Leiterschleife wirkenden Kräfte, wenn
deren Masse 8g beträgt? Gib auch die Richtung der Kräfte an.
Jetzt wird die Leiterschleife nicht mehr mit konstanter Geschwindigkeit
bewegt, sondern man überläßt die Leiterschleife ihrer Gewichtskraft.
Sie fällt dann nach einiger Zeit mit konstanter Geschwindigkeit. Warum?
Berechnen Sie diese konstante Geschwindigkeit. Der Luftwiderstand soll unberücksichtigt
bleiben.
Nach einer bestimmten Zeit wird auch das obere Ende der Leiterschleife in
das Magnetfeld eintauchen. Wie groß ist dann der induzierte Strom?
Mit Begründung! |