a) Zur Berechnung des Potentials schreiben wir die Laplace-Gleichung (
1.16b) in Zylinderkoordinaten (man beachte, dass ϕ nicht von
z und
\(\varphi\) abhängt!):
$$\Delta\phi =\frac{1}{R}\frac{\partial}{\partial R}\left(R\cdot\frac{\partial\phi}{\partial R}\right)=0$$
(13.1)
$$\Rightarrow\;\phi =c_{1}\ln R+c_{2}$$
(13.2)
mit
\(\phi(R_{1})=\phi_{1}\),
\(\phi(R_{2})=\phi_{2}\) folgt
$$c_{2} =\phi_{1}-c_{1}\ln R_{1}\;,$$
$$c_{1} =\frac{\phi_{2}-\phi_{1}}{\ln(R_{2}/R_{1})}$$
$$\Rightarrow\;\phi(R) =\phi_{1}+\frac{\phi_{2}-\phi_{1}}{\ln(R_{2}/R_{2})}\ln(R/R_{1})\;,$$
(13.3)
$$E(R) =-\frac{\partial\phi}{\partial R}=\frac{-(\phi_{2}-\phi_{1})}{\ln(R_{2}/R_{1})}\frac{1}{R}\;.$$
(13.4)
Für die Sollkreisbahn mit Radius
\(R_{0}=(R_{1}+\) \(R_{2})/2\) muss gelten:
$$\begin{aligned}\displaystyle\frac{mv_{0}^{2}}{R_{0}}&\displaystyle=e\cdot E(R_{0})=\frac{2e}{R_{1}+R_{2}}\frac{\phi_{1}-\phi_{2}}{\ln(R_{2}/R_{1})}\\ \displaystyle\Rightarrow\;U&\displaystyle=\frac{R_{1}+R_{2}}{2e}\ln(R_{2}/R_{1})\cdot\frac{m}{R}v_{0}^{2}\\ \displaystyle&\displaystyle=\frac{R_{1}+R_{2}}{2R}\frac{m}{e}v_{0}^{2}\ln\frac{R_{2}}{R_{1}}\;.\end{aligned}$$
Für
\(R=1/2\,(R_{1}+R_{2})\) folgt
$$U=\frac{m}{e}v_{0}^{2}\ln\frac{R_{2}}{R_{1}}\;.$$
(13.5)
b) Angenommen, ein Elektron tritt bei
\(r=R_{0}\),
\(\varphi=0\) und
\(|v|=|v_{0}|\), aber mit einem kleinen Winkel α in den Zylinderkondensator ein. Gibt es einen Winkel
\(\varphi\), nach dem das Elektron die Sollbahn
\(R=R_{0}\) wieder schneidet?Da
E ein Zentralfeld bildet, bleibt der Drehimpuls der Teilchen konstant
$$v\cdot R=v_{0}\cdot R_{0}={\mathrm{konst.}}\;.$$
(13.6)
Die Abweichung von der Sollbahn zu einem Zeitpunkt
t sei
\(\delta R\).Aus der Bewegungsgleichung erhält man:
$$m\cdot\delta\,\ddot{R}-m\cdot\frac{v^{2}}{R}-e\cdot E(R_{0}+\delta R)=0\;.$$
(13.7)
Entwicklung in eine Taylorreihe liefert:
$$E(R_{0}+\delta R)=E(R_{0})+\left(\frac{\mathrm{d}E}{\mathrm{d}R}\right)_{R_{0}}\delta R+\cdots\;.$$
(13.8)
Aus (
13.4) folgt:
$$\frac{\mathrm{d}E}{\mathrm{d}R}=\frac{U}{\ln(R_{2}/R_{1})}\frac{1}{R^{2}}\;.$$
Einsetzen in (
13.7) ergibt mit (
13.6)
$$\delta\,\ddot{R}-\frac{v_{0}^{2}}{R^{3}}R_{0}^{2}+\frac{v_{0}^{2}}{R_{0}}\left(1-\frac{\delta R}{R_{0}}\right)=0\;.$$
$$\begin{aligned}\displaystyle&\displaystyle\frac{1}{R^{3}}=\frac{1}{R_{0}^{3}\left(1+\frac{\delta R}{R_{0}}\right)^{3}}\approx\frac{1}{R_{0}^{3}}-\frac{3}{R_{0}^{4}}\delta R+\dots\\ \displaystyle&\displaystyle\Rightarrow\;\delta\,\ddot{R}-\frac{v_{0}^{2}}{R_{0}}\left(1-3\frac{\delta R}{R_{0}}-1+\frac{\delta R}{R_{0}}\right)=0\\ \displaystyle&\displaystyle\Rightarrow\;\delta\,\ddot{R}+2\omega_{0}^{2}\delta R=0\quad\text{mit}\quad\omega_{0}=\frac{v_{0}}{R_{0}}\;.\end{aligned}$$
Die Bewegung entspricht einer Kreisbahn mit überlagerter radialer Schwingung
$$\delta R=R_{0}\cdot\sin\left[\sqrt{2}\omega_{0}\cdot t\right]\;,$$
die nach
\(t=\pi/(\sqrt{2}\omega_{0})\) \(\Rightarrow\) \(\varphi=\pi/\sqrt{2}=127^{\circ}\) durch null geht. Ein Zylinderkondensator mit
\(\varphi=127^{\circ}\) wirkt also fokussierend.