Kleine Fragen zum Zyklotron (Kreisbeschleuniger)

[Tyraelamigo]

Hallo liebe Com!
Ich muss ein Referat über das Zyklotron halten und hab auch schon etliche Seiten sowie Bücher darüber durchgelesen.
Jetzt habe ich noch mehr oder weniger eine Frage:
Durch beide Duanden geht ja ein Magnetfeld.
Ich weiß, dass eine Spule durch die Strom fließt ein Magnetfeld erzeugt und ich weiß auch in welche Richtung. Nur stellt sich mir die Frage:
Ist die Spule wie ich sie mir so vorstelle richtig angebracht? Könnte man das Magnetfeld mit einem großen Stabmagneten auch erzeugen? Ich hab darüber nämlich nur erfahren, dass es Magnete gibt aber nicht wie sie angebracht wurden.
Hier mal eine Vorstellung meinerseits, wie ich denke dass die Spule angebracht sein sollte.


Noch eine Frage: Warum wirkt die Lorentzkraft nach innen? Ich kenne die Drei-Finger-Regel, jedoch begreife ich nicht wie bzw. wohin der Strom fließt (muss ja auch 90° versetzt sein zur Lorentzkraft).

Es hat für mich den Anschein, dass die Richtung von I immer der Richtung des Geschwindigkeitsvektors entsprechen muss, aber warum?


Ich hoffe jemand kann sich meines Problems annehmen

 

[reaperman]

Hallo

Wichtig ist nur, dass die Magnetfeldlinien mit den (halb)zylindrischen Polen an die die HF-Spannung anliegt einen rechten Winkel bilden, damit die Teilchen gemäß der Lorenzkraft F=q*(vxB) eine Spiralbahn bilden.

Wie du das Magnetfeld erzeugst ist den Teilchen vollkommen egal. Eine Spule bietet sich bei einem Rotationssymmetrischen Aufbau aber noch am ehesten an. Wenn du das mit Stabmagneten machst kriegst du einerseits das Problem mit dem Randfeld, dass ja inhomogen ist. Deswegen müsste ein rechteckiger Magnet größer als der Zylinder sein. Runde Magnete bieten sich natürlich an.
Bei Permanentmagneten erreichst du aber nicht so hohe magnetische Flussdichten (1,61 Tesla - maximale magnetische Flussdichte eines NdFeB-Magneten (Neodym-Eisen-Bor). Typischerweise werden die Magnete mit Flussdichten zwischen 1 T und 1,5 T hergestellt. NdFeB-Magnete sind derzeit die stärksten Dauermagnete).
Mit supraleitenden Elektromagneten kommst du in den Zweistelligen Bereich - die sind also rund 10 mal so stark wie Permanentmagnete


P.S.: Hier sieht man imo auch recht schön die Richtung des B-Feldes:
http://www.google.at/imgres?imgurl=...lotron&um=1&hl=de&sa=N&tbs=isch:1&um=1&itbs=1




mfg
claus

 

[Mortu]

Das mit der Spule sollte passen. Wobei Du die Polung genausogut vertauschen könntest, dann würde das B-Feld in Deinem Beispiel halt noch oben zeigen. Wichtig ist nur, dass das Ding senkrecht zur Stirnfläche der Duanden steht.

Edit:

Technische Stromrichtung ist definiert als Bewegungsrichtung positiver Teilchen ( Protonen !) -> Daumen rechte Hand

B-Feld kommt im Bsp aus der Zeichenebene heraus -> Zeigefinger rechte Hand

Lorentzkraft -> Stinkefinger re Hand

 

[reaperman]

Bei der Lorenzkraft ist der Strom I (meinst du den) immer "gleich" v weil die Ladungen sich mit der Geschwindigkeit v bewegen und das entspricht einem Strom!!

Das mit der Spule sollte passen. Wobei Du die Polung genausogut vertauschen könntest, dann würde das B-Feld in Deinem Beispiel halt noch oben zeigen. Wichtig ist nur, dass das Ding senkrecht zur Stirnfläche der Duanden steht.

Das B-Feld ist falsch (gehört um 180° gedreht und zeigt somit nach oben).

Edit:

Technische Stromrichtung ist definiert als Bewegungsrichtung positiver Teilchen ( Protonen !) -> Daumen rechte Hand

B-Feld kommt im Bsp aus der Zeichenebene heraus -> Zeigefinger rechte Hand

Lorentzkraft -> Stinkefinger re Hand

Die Teilchen werden gemäß der Lorenzkraft F=q*(vxB) abgelenkt. q ist die Ladung und sagt quasi in welche Richtung die Kraft zeigt. Wenn du beim Zyklotron die Ladung der Teilchen von + auf - änderst (Protonen statt elektronen) dann dreht sich die Richtung der Spirale um (vorausgesetzt das Magnetfeld wird nicht verändert).

Bei der Lorenzkraft probiers einfach aus - lass das Teilchen ein Stück fliegen und schau dann wieder gemäß F=q*(vxB) nach in welche Richtung die Kraft zeigt. Wenn die Teilchen nicht beschleunigt werden (also wenn z.B. beim Zyklotorn keine Wechselspannung anliegt sind das reine Kreisbahnen - die Kraft zeigt immer nach innen). Das liegt daran, dass die Kraft immer die Richtung der Teilchen ändert und dadurch kommt es zu einer Kreisbahn.

sieht man hier: http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_2/teilchenfeld/e_bfeld.htm

schön

lg
claus

 

[Tyraelamigo]

Das mit der Handregel und der technischen Stromrichtung weiß ich schon, aber trotzdem danke . Aber jetzt wird mir auch klar, warum die Lorentzkraft immer in die Mitte zeigen muss. Denn die Formel F=q*(vxB) hatten wir noch garnicht. Könnte man es ohne diese Formel erklären?

 

[Mortu]

Das B-Feld ist falsch (gehört um 180° gedreht und zeigt somit nach oben).

Asche auf mein Haupt. Die ( technische ) Stromrichtung geht natürlich von + nach - also B-Feld natürlich nach oben

 

[reaperman]

kein Problem - immer wieder gerne

Die Beschleunigung nach innen ist von nöten um die Teilchen auf einer Kreisbahn zu halten. Deswegen wird bei der Herleitung der Zyklotronfrequenz auch die Lorenzkraft der Zentripetalkraft gleichgesetzt.

/e: Also ich könnte es nicht ohne die Formel erklären - außer halt:"Die Teilchen bewegen sich auf einer Kreisbahn. Sie tun es einfach "

 

[Tyraelamigo]

Ok dann mach ich es einfach mit der Formel. Danke nochmals!

 

[Blanchefleur]

Kann mich jemand darüber aufklären wo der Unterschied zu einem Synchrotron liegt?

 

[reaperman]

In der Wiki (http://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron) unter "Characteristics" ist schon einmal der Hauptunterschied genannt:

While a cyclotron uses a constant magnetic field and a constant-frequency applied electric field (one of these is varied in the synchrocyclotron), both of these fields are varied in the synchrotron

Ein Zyklotron wird z.B. in der Medizin eingesetzt (ziemlich kleine und kompakte Dinger).

Wenn du dir die Wiki-Seite anschaust, siehst du, dass ein Synchrotron z.T. gigantische Ausmaße annimmt.

Die Teilchen Bewegen sich zum größten Teil in einem großen Ring (Länge im km-Bereich) und werden dort im Ring beschleunigt. Somit bewegen sich die Teilchen im Synchrotron auf einer konstanten Kreisbahn während sie im Zyklotron sich auf einer Spiralbahn bewegen.Ähnlich wie beim LHC wo die Teilchen mit Supraleitenden Kavitäten ("Kondensatoren") beschleunigt werden. Die Magnetelemente die im Ring eingebaut sind halten die Teilchen auf einer Kreisbahn. Wenn sich die Geschwindigkeit ändert muss auch das B-Feld nachgeregelt werden sonst verlassen sie die Bahn was bei den Energien ziemlich unangenehm werden kann.

Beim Zyklotron ist irgendwann Schluss mit der Beschleunigung, weil die Teilchen in ihrer Spiralbahn das Ende des Zylinders austreten. Beim Synchrotron ist erst Ende, wenn das B-Feld nicht mehr ausreicht um die Teilchen auf der Bahn zu halten.

Es werden z.B. auch eigens Synchrotrons gebaut um die Synchrotronstrahlung auszunutzen. Diese war früher ein unerwünschtes, weil es die Strahlung ist, die entsteht, wenn Ladungen beschleunigt werden (und sie verlieren natürlich Energie dadurch).

lg
claus