Teilchen im Feld (3D)
Über diese App
Vier Geräte, zwei Kräfte: Fadenstrahlrohr, Wien-Filter, Massenspektrometer und Zyklotron als leuchtende Feldräume in 3D. U, E, B und Teilchen regeln, Kraft- und Geschwindigkeitspfeile live verfolgen. Die Kurve |v| zeigt: Das elektrische Feld ändert den Betrag der Geschwindigkeit, das Magnetfeld nur die Richtung. Mit Vorhersagen und Aufgaben im Abi-Stil.
Mit Erklärmodus: Ein KI-Tutor führt dich durch die App, zeigt in der Szene, worauf es ankommt, und beantwortet deine Fragen.
Zwei Kräfte auf geladene Teilchen
Im elektrischen Feld wirkt auf ein geladenes Teilchen die Kraft F = qE. Sie kann längs der Bahn wirken und ändert dann den Betrag der Geschwindigkeit, zum Beispiel beim Durchlaufen einer Spannung U mit |q|U = ½mv². Im Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft F = qvB. Sie steht senkrecht auf der Geschwindigkeit, verrichtet deshalb keine Arbeit und ändert nur die Richtung. Daraus folgt die Kreisbahn mit r = mv/(qB). Das Magnetfeld macht ein Teilchen also nicht schneller.
Was die App zeigt
Vier Stationen stehen auf einer Strecke aus leuchtenden Feldräumen. Im Fadenstrahlrohr entsteht aus U, B und r die spezifische Ladung e/m. Der Wien-Filter lässt nur v = E/B durch. Das Massenspektrometer trennt Isotope über r = mv/(qB). Im Zyklotron bleibt die Umlauffrequenz f = qB/(2πm) gleich, solange das Teilchen nichtrelativistisch ist. Die Bahn wird numerisch integriert und erscheint als Lichtfaden, der mit dem Tempo heller wird. Die Kurve |v| über der Zeit bleibt in jedem Magnetfeld waagerecht.
Was du ausprobieren kannst
Zieh die Griffe in der Szene oder nutze die Regler und beobachte die Pfeile für v, die elektrische Kraft und die Lorentzkraft. Verdopple B und vergleiche Radius und Tempo. Verstelle E im Wien-Filter, bis das Teilchen die Blende trifft. Wähle ein Isotopenpaar und lies den Abstand der Treffer ab. Verstimme im Zyklotron die Frequenz oder schalte beim Elektron die relativistische Rechnung ein. Zwei Vorhersagen und vier Rechenaufgaben nutzen die aktuellen Werte der App.
Häufige Fragen
- Warum ändert das Magnetfeld die Geschwindigkeit eines Teilchens nicht?
- Die Lorentzkraft steht immer senkrecht auf der Geschwindigkeit. Eine Kraft senkrecht zum Weg verrichtet keine Arbeit, also bleibt die kinetische Energie gleich. Der Betrag der Geschwindigkeit ändert sich nicht, nur ihre Richtung.
- Wie funktioniert ein Wien-Filter?
- Im Wien-Filter stehen ein elektrisches und ein magnetisches Feld senkrecht aufeinander. Geradeaus fliegt nur ein Teilchen, bei dem elektrische Kraft und Lorentzkraft gleich groß sind: qE = qvB, also v = E/B. Ladung und Masse kommen in dieser Bedingung nicht vor.
- Warum ist die Umlauffrequenz im Zyklotron unabhängig von der Geschwindigkeit?
- Aus qvB = mv²/r folgt r = mv/(qB). Der Umfang wächst also im selben Maß wie die Geschwindigkeit, und die Umlaufdauer T = 2πm/(qB) enthält v nicht mehr. Das gilt, solange das Teilchen deutlich langsamer als das Licht ist.
- Wie hilft mir die App beim Abitur?
- Sie verbindet vier typische Geräte mit denselben zwei Kräften. Du regelst U, E und B selbst und rechnest Aufgaben zu e/m, zum Wien-Filter, zum Abstand im Massenspektrometer und zur Energie im Zyklotron mit den Werten aus der App. Zu jeder Aufgabe gibt es Rückmeldung und einen Lösungsweg.
Fach: Schulphysik
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