Zuletzt geändert: Mo, 09.01.2006

«K12/K13» 40. Hausaufgabe «PDF», «POD»




0.0.1 40. Hausaufgabe

0.0.1.1 Zusammenfassung des Hall-Effekts unter den Gesichtspunkten der Stunde

Die Herleitung für die Formel für die Hallspannung U_{\text{H}}UH ist sehr einfach.

Zum Einen wissen wir, dass die Lorentzkraft F_{\text{L}}FL wegen des Magnetfelds wirkt:

F_{\text{L}} = \mathcal{B} e v;FL = ev;

Dadurch werden die Ladungsträger in eine bestimmte Richtung abgelenkt. Die Konzentration der vielen Elektronen erzeugt nun ein elektrisches Feld:

\mathcal{E} = \frac{F_{\text{el}}}{e} = \frac{U}{d}; \Rightarrow F_{\text{el}} = \frac{U}{d} e; = Fel e = U d ; Fel = U d e;

Im Gleichgewichtszustand sind die Lorentzkraft F_{\text{L}}FL und die elektrische Kraft F_{\text{el}}Fel gleich groß, also können wir F_{\text{L}}FL mit F_{\text{el}}Fel gleich setzen:

F_{\text{L}} = F_{\text{el}}; \Rightarrow \mathcal{B} e v = \frac{U}{d} e;FL = Fel;ev = U d e;

Durch Auflösen erhalten wir für die Hallspannung U_{\text{H}} = UUH = U

U_{\text{H}} = \mathcal{B} v d;UH = vd;

Die Geschwindigkeit der Elektronen errechnet sich durch

v = \frac{I}{d^2 n e}v = I d2ne,

wobei nn die Ladungsträgerdichte, also \frac{N}{V}N V , bezeichnet. Einsetzen liefert dann die bekannte Gleichung

U_{\text{H}} = \frac{1}{n e} \frac{I \mathcal{B}}{d};UH = 1 ne I d ;

0.0.1.2 Erneute kurze Zusammenfassung des Sachverhalts beim Zyklotron

Beim Zyklotron wird die Zentripetalkraft von der Lorentzkraft aufgebracht, F_{\text{r}}Fr und F_{\text{L}}FL sind also gleich groß:

F_{\text{r}} = F_{\text{L}}; \Rightarrow m \frac{v^2}{r} = \mathcal{B} Q v;Fr = FL; mv2 r = Qv;

Substitution eines vv mit \omega rωr liefert dann die Kreisfrequenz \omegaω, die der Wechselstrom, der die Elektronen von der einen Seite zur anderen beschleunigt, aufweisen muss:

\omega = \frac{\mathcal{B} Q}{m};ω = Q m ;

Bemerkenswert ist, dass \omegaω nicht von der Geschwindigkeit vv der Ladungsträger abhängt (siehe 36. Hausaufgabe)!

(Benötigte Zeit: 53 min)