EXP:Einstein-de-Haas-Effekt

In diesem Experiment wird veranschaulicht, dass der elementare Spin der Elektronen makroskopisch einem Drehimpuls zugeordnet werden kann. Ein quantitative Auswertung ist relativ aufwendig, weshalb dieser einfache Aufbau nur qualitative Ergebnisse liefert.

Versuchsaufbau Einstein-de-Haas-Effekt.

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• Spule (hier: 600 Windungen, max. 2 A)
• Funktionsgenerator (Sinusgenerator)
• Verstärker (hier: Audioverstärker)
• Laserpointer
• kleiner Spiegel
• Knetmasse
• 0,5 m dünner Draht (hier: Wolframdraht)
• magnetischer Zylinder (hier: Thorlabs Post)
• Schraube mit mittiger Bohrung
• Schirm
• Stativmaterial
• optinal: Kunststoffröhre

Versuchsaufbau

Der beobachtbare Effekt ist sehr schwach. Dementsprechend muss das gesamte System sensibel auf Änderungen sein. Durch Luftbewegungen oder Schwingungen der Aufhängung kommt das Pendel quasi automatisch in leichte Rotation und Schwingung. Es ist daher unerlässlich diese Störfaktoren weitestgehend zu reduzieren.

Schritt 1

Der Versuchsaufbau beginnt mit dem Bau einer stabilen Aufängung bauen. In dieser Variante wurde der feine Wolframdraht zwischen zwei Stativstangen eingespannt. Das Stativ selber wird an eine tragennde Betonsäule des Gebäudes gespannt. Um Anregungen durch die Luft zu minimieren wird das gesamte Pendel durch ein PP-Rohr geführt, welches ebenfalls an der Säule befestigt wird. Der Draht hat in diesem Fall eine Länge von 60 cm.

Schritt 2

Nun wird der magnetische Metallzyliner vorbereitet. In diesem Fall handelt es sich um einen Post der Firma Thorlabs. Essentiell für den Versuch ist eine mittige Aufhängung des Zylinders. Um dies zu erreichen wird eine Kunststoffschraube mittig angebohrt, der Draht hindurchgefädelt und eingeschraubt.

Schritt 3

Der Zylinder wird in die Spule eingeführt. Hierbei ist zu beachten, dass der Zylinder genau mittig in der Spule hängt.

Schritt 4

Zusätzlich zur Aufhängeschraube ist eine weitere Schraube an der Unterseite des Zylinders erforderlich. Diese befestigt ebenfalls mittig einen Draht, der leicht nach unten abgespannt werden kann. In diesem Fall wird die Abspannung durch eine Aluminiumschiene erreicht, die als Gewicht wirkt.

Schritt 5

An den Sinusgenerator wird eine Audioverstärker geschaltet, welcher den Output an der Spule hat.

Schritt 6

Um die kleine Schwingungen besser sichtbar zu machen, wird mit Knetmasse ein kleiner Spiegel am Draht oberhaltb des Zylinders befestigt. Dieser wird mit einem Laserpointer bestrahlt und reflektiert den Laserstrahl auf den Schirm.

Versuchsdurchführung

Als erstes muss die Periodendauer des Torsionspendels bestimmt werden. Hierfür wird es in der z-Achse ausgelenkt. Die Mittelung über einige Perioden ergibt eine ausreichende Näherung der Periodendauer. Danach wird der Funktionsgenerator auf die passende Eigenfrequenz des Pendels eingestellt. Als Amplitude wurde hier eine Amplitude von 2 VPP eingestellt. Die Verstärker sollte erst jetzt langsam angeschaltet und hochgedreht werden, um schnelle Änderungen des Magnetfeldes zu reduzieren. Nach wenigen Periodendauern sollte sich der Zylinder anfangen zu drehen.

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0