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Polarlichter (auf der Nordhabkugel: Aurora borealis; auf der Südhalbkugel: Aurora australis) sind Naturerscheinungen, die für wohl die allermeisten Menschen, die sie einmal erlebt haben, einen nachhaltigen Eindruck hinterlassen. Polarlichter entstehen in der Nähe der beiden Polarregionen unserer Erde, wenn (positiv wie negativ) geladene Teilchen des die Erde treffenden Sonnenwinds durch das Erdmagnetfeld zu den Polen abgelenkt werden und dort durch Anregung der Atome in den oberen Schichten der Erdatmosphäre Leuchterscheinungen hervorrufen.
Polarlichtsimulation mit dem Fadenstrahlrohr
Mit dem folgenden IBE kann man beobachten, welchen Einfluss ein deutlich inhomogenes magnetisches Feld auf die Bahn von sich direkt darauf zu bewegenden Elektronen ausübt. Dazu befindet sich neben dem Fadenstrahlrohr ein Elektromagnet, dessen Magnetfeldstärke durch die Variation der Stromstärke variiert werden kann. Das Fadenstrahlrohr ist so geneigt, dass die Elektronen leicht schräg auf den Pol des Elektromagneten zulaufen.
Beschreiben Sie die sich in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke ergebenden Elektronenbahnen.
Tipps
Begründen Sie, warum es zu einer Richtungsumkehr (im Vergleich zur anfänglichen Richtung ) der Elektronen kommen kann.
Schalten Sie (bei höheren Stromstärken durch den Elektromagneten) den Permanentmagneten dazu und wieder weg. Beschreiben Sie die Veränderung der Elektronenbahnen in der Nähe des Permanentmagneten.
Tipp
Wenn man die Stromstärke im Elektromagneten von null an langsam erhöht, kann man erkennen, dass die Elektronen, die aus der Elektronenkanone ansteigend gegenüber der Richtung Kanone-Elektromagnet austreten, zunächst nach rechts abgelenkt werden.
Bestimmen Sie gemäß dieser Beobachtung die magnetische Polung des Elektromagneten.
Beachten Sie die Lorentzkraft sowie die Komponentenzerlegung für die
Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen.
Unter diesem Link können Sie sich ein Simulationsprogramm für die Berechnung von Polarlichtern herunterladen. Es veranschaulicht sehr schön die Bahnen der geladenen Teilchen, wenn diese, von der Sonne kommend, auf unsere Erde treffen.
Lassen Sie sich Bahnkurven anzeigen für beide angebotenen Ladungsträger, wenn sich diese unter verschiedenen Anfangsbedingungen im Erdmagnetfeld bewegen.
In der Technik nutzt man die Bewegung von Elektronen in inhomogenen Feldern beispielsweise bei den sog. magnetischen Linsen, mit denen es gelingt, ähnlich wie in der Optik mit Licht, von einem Punkt ausgehende Elektronen wieder auf einen Punkt zu fokussieren. Vergleiche hierzu auch diese Seite.
Informationen zu Polarlichtern:
➡ Viele Videos gibt es bei bekannten Internetplattformen.
Hier ein Beispiel.
➡ Es gibt eine Reihe von WebCams, mit denen man Polarlichter, wenn sie denn auftreten, live verfolgen kann.
Hier ein Beispiel aus dem Norden Schwedens.
Tipp 1
Tipp 1
Tipp 3
Tipp 2
Schauen Sie sich die zu zeigende Formel an. Die dort auftretenden Größen geben Ihnen einen Hinweis auf den Ansatz.
Schauen Sie sich die beiden Grafiken an: Sie zeigen, welche Gestalt die Inhomogenität des Magnetfelds vor dem (in den Skizzen unten liegenden) magnetischen (Nord-) Pol hat.
Warum wirkt die Radialkomponente des Magnetfelds immer nach oben?
Das Magnetfeld an der Stelle P des Elektrons kann in zwei Komponenten zerlegt werden. Welchen Einfluss üben diese beiden Komponenten auf die Bewegung des Elektrons aus?
An dieser Stelle ist zusätzlich ein Permanentmagnet einsetzbar
Einfügen/Entfernen des Permanentmagneten
Elektromagnet variierbarer Stärke
Einstellung der Stromstärke des Elektromagneten