Physikalische Experimente auf dem Luftkissentisch - 3B Scientific

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Physikalische Experimente auf dem Luftkissentisch Durchführung: Man richtet den Luftkissentisch horizontal aus und bringt die magnetischen Barrieren an. Die Schwebekörper werden auf der Experimentierfläche regelmäßig angeordnet. Man befestigt die Haltevorrichtung am Luftkissentisch und hängt das Gittermodell ein. Es wird auf eine mittlere Höhe eingestellt. Man erhöht die Leistung des Gebläses so weit, daß alle Schwebekörper gut abheben. Falls erforderlich, sorgt man mit dem Manipulierstab dafür, daß sich unter jedem hängenden Magnet ein Schwebekörper befindet. Durch wiederholte Betätigung des Impulsventils erhöht man die Geschwindigkeit der Schwebekörper. Man beobachtet deren Anordnung und Bewegung. Schließlich neigt man durch Verstellen der Justierschraube bei der Barriere Nr. 2 den Tisch mehr und mehr und beobachtet den Einfluß der Neigung auf die Schwebekörper. Ergebnis: Bei geringen Geschwindigkeiten sind alle Schwebekörper unter den Magneten des Gittermodells angeordnete. Bei größeren Geschwindigkeiten entfernt sich ein Teil der Schwebekörper von ihren Plätzen. Die Neigung der Experimentierfläche bewirkt, daß die ungeordnete Bewegung der Schwebekörper eine Vorzugsrichtung erhält. Deutung: Bei einem Eigenhalbleiter werden unter dem Einfluß der erhöhten Temperatur einige Elektronen aus dem Gitter herausgelöst, die sich dadurch im gesamten Halbleiter bewegen. Die herausgelösten Elektronen hinterlassen positive „Löcher“. Die Anzahl der wänderungsfähigen Elektronen und der Löcher ist gleich. Nach dem Anlegen einer Spannung fließt ein elektrischer Strom. Die Elektronen bewegen sich bevorzugt in Richtung der positiven Elektrode, die „Löcher“ scheinbar in entgegengesetzter Richtung. 2.4.12 Elektrischer Leitungsvorgang in einem Halbleiter — n-Leitung (nachgebildet durch mechanische Kräfte) Geräte: Luftkissentisch mit Gebläse Tageslichtprojektor magnetische Barriere, lang 2 Stück magnetische Barriere, kurz 2 Stück Haltevorrichtung l Stück Gittermodell l Stück Manipulierstab l Stück Schwebekörper, rot 28 Stück Modellierung Realobjekt Modell Teil eines Halbleiters Experimentierfläche des Luftkissentisches Kristallgitter des Gittermodell Halbleiters positive Ionen des Gittermagnete Kristallgitters Elektronen Schwebekörper Stärke des Neigung der elektrischen Feldes Experimentierfläche Durchführung: Nach dem horizontalen Ausrichten des Luftkissentisches werden die magnetischen Barrieren um die Experimentierfläche angeordnet. Die Schwebekörper verteilt man regelmäßig auf der Experimentierfläche, befestigt die Haltevorrichtung und hängt das Gittermodell ein. Seine Höhe wird auf einen mittleren Wert eingestellt. Man erhöht die Leistung des Gebläses so weit, daß alle Schwebekörper frei schweben. Anordnung und Bewegung der Schwebekörper werden beobachtet. Danach neigt man die Experimentierfläche des Luftkissentisches. Das Experiment wird nach mehrmaligem Betätigen des Impulsventils mit größerer Geschwindigkeit der Schwebekörper wiederholt. Ergebnis: Bei niedrigen Geschwindigkeiten sind 25 Schwebekörper Verhältnismäßig fest an die Magnete des Gittermodells gebunden. Die übrigen 3 bewegen sich unregelmäßig in den Zwischenräumen. Beim Neigen der Experimentierfläche wird der ungeordneten Bewegung eine ge- 46
Physikalische Experimente auf dem Luftkissentisch richtete Bewegung der Schwebekörper überlagert. Eine Vergrößerung der Geschwindigkeit bewirkt, daß auch einige gebundene Schwebekörper ihre Plätze verlassen. Deutung: In einem Halbleiter mit n-Leitung sind bereits bei niedrigen Temperaturen wanderungsfähige Elektronen vorhanden. Wird eine Spannung angelegt, so fließt ein Strom; der Strom wird von diesen Elektronen hervorgerufen. Bei höheren Temperaturen werden weitere Elektronen für den Ladungstransport freigesetzt. 2.4.13 Elektrischer Leitungsvorgang in einem Halbleiter —p-Leitung (nachgebildet durch mechanische Kräfte) Geräte: Luftkissentisch mit Gebläse Tageslichtprojektor magnetische Barriere, lang 2 Stück magnetische Barriere, kurz 2 Stück Haltevorrichtung l Stück Gittermodell l Stück Manipulierstab l Stück Schwebekörper, rot 22 Stück Modellierung: Realobjekt Modell Teil eines Halbleiters Experimentierfläche des Luftkissentisches Kristallgitter des Gittermodell Halbleiters positive Ionen des Gittermagnete Halbleiters Elektronen Schwebekörper Stärke des Neigung der elektrischen Feldes Experimentierfläche Durchführung: Man richtet den Luftkissentisch horizontal aus und ordnet die magnetischen Barrieren an. Auf die Experimentierfläche verteilt man gleichmäßig die 22 Schwebekörper, befestigt die Haltevorrichtung und hängt das Gittermodell ein. Seine Höhe wird auf einen mittleren Wert eingestellt. Man erhöht die Leistung des Gebläses so weit, daß die Schwebekörper sicher abheben. Dann neigt man die Experimentierfläche. Anordnung und Bewegung der Schwebekörper werden beobachtet. Das Experiment wird mit größerer Geschwindigkeit der Schwebekörper wiederholt. Ergebnis: Die Schwebekörper sind an die Magnete des Gittermodells gebunden. Einige Plätze bleiben jedoch frei. Durch das Überwechseln benachbarter Schwebekörper in freie Plätze bewegen sich die Leerstellen. Die Neigung der Experimentierfläche führt zur Überlagerung einer gerichteten Bewegung. Bei erhöhter Geschwindigkeit werden weitere Schwebekörper von ihren Plätzen gelöst. Deutung: In einem Halbleiter mit p-Leitung sind einige Gitterplätze nicht mit Elektronen besetzt. Diese „Löcher“ werden häufig von benachbarten Elektronen aufgefüllt, wobei wieder „Löcher“ entstehen. Beim Anlegen einer Spannung bewegen sich die positiven „Löcher“ in Richtung der negativen Elektrode. Bei höheren Temperaturen entstehen weitere „Löcher“. 47
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