Opgave 3 Zonnedeeltjes (vwo – na – 1999 – tijdvak 2

Opgave 3 Deep Space (vwo – na1,2 – 2001 – tijdvak 2)
Lees het artikel.
artikel
Ionenmotor werkt nu prima
Ruimteonderzoek – De problemen met de ionenmotor van Deep Space zijn voorbij.
De motor kan de baan van deze Amerikaanse ruimtesonde nu zodanig gaan
veranderen dat hij in juli langs de planetoïde 1992 KD scheert.
PASADENA – Deep Space is de eerste van een
serie ruimtesondes waarmee Nasa nieuwe
technologieën wil testen.
Bij Deep Space is de belangrijkste vernieuwing
een ionenmotor die werkt op het edelgas
xenon. De xenon-atomen worden vanuit een
kathode bestookt met elektronen, waardoor zij
een elektron kwijtraken en positief geladen
worden. Deze positieve ionen worden versneld
in een elektrisch veld door een spanning van
1,28 kV.
De versnelde ionen worden uitgestoten en
zorgen zo voor de stuwkracht.
De 490 kg zware Deep Space werd op
24 oktober in een baan om de zon gebracht.
De ionenmotor heeft nu een aantal keren
gewerkt. Hij verbruikt maximaal 2400 watt aan
elektrisch vermogen (van de zonnepanelen) en
levert dan een stuwkracht van 90 millinewton
(het gewicht van twee A4-tjes). Deep Space
heeft 60 kg xenongas aan boord, waarop zijn
ionenmotor veertien maanden lang zou kunnen
werken. De snelheid zou hierdoor 6,9 km per
seconde groter kunnen worden. Met een zelfde
hoeveelheid chemische stuwstof zou een
snelheidstoename van slechts 0,4 km/s
kunnen worden bereikt.
naar: een artikel van George Beekman in het Technisch Weekblad van 13 januari 1999
3p
7
Een xenonion wordt (ten opzichte van de ruimtesonde) vanuit rust versneld.
Bereken hoeveel de kinetische energie van het xenonion in het elektrische veld maximaal verandert.
De elektroden waartussen het homogene veld heerst, staan op een bepaalde afstand van elkaar. Stel
dat ze tweemaal zo dicht bij elkaar gebracht zouden worden zonder de spanning te veranderen.
3p
8
Toon aan dat de kracht die de ionen in het elektrische veld ondervinden dan tweemaal zo groot zou
zijn.
3p
9
Leg uit welke gevolgen dit zou hebben voor de snelheidstoename van Deep Space.
Opgave 6 Reinigen met UV (vwo – na1,2 – 2003 – tijdvak 1)
Een gasontladingsbuis heeft twee elektroden aan de uiteinden. Zie figuur 8.
De buis werkt alleen als de spanning tussen de elektroden voldoende groot is.
De buis is uitgerust met een ontstekingsmechanisme, de zogenaamde starter. Bij het inschakelen
zorgt de starter ervoor dat de spanning tussen de elektroden 450 volt wordt.
Het gasmengsel in de buis bestaat onder meer uit kwikdamp. In dit mengsel komen ook (vrije)
elektronen voor. Bij een spanning van 450 V krijgen deze elektronen voldoende energie om
kwikatomen te ioniseren.
Een korte gasontladingsbuis werkt op dezelfde spanning als een lange.
3p
16 
Leg uit of een elektron in een korte of in een lange buis de grootste elektrische kracht ondervindt.
Opgave 2 Beeldscherm
Wanneer je met een loep een televisiescherm van
dichtbij bekijkt, zie je een patroon van lichtgevende
vlakjes. Deze vlakjes noemen we pixels. In figuur 4 zijn er
zes getekend.
Elk pixel kan drie kleuren licht uitzenden: rood, groen en
blauw. De kleuren worden veroorzaakt door luminiforen.
Dit zijn stoffen die een eigen, karakteristieke kleur licht
uitzenden als ze getroffen worden door elektronen.
Horizontale en verticale elektrische velden zorgen
ervoor dat een elektronenbundel in de richting van een
bepaald pixel wordt gestuurd. (Het TV-beeld wordt zo
pixel voor pixel opgebouwd en 50 of 100 keer per
seconde vernieuwd.) Deze elektronenbundel bestaat
in feite uit drie bundels, die elk van een apart
elektronenkanon afkomstig zijn, maar die toch langs
dezelfde lijn de elektrische afbuigvelden verlaten: zie
de gestippelde lijn in figuur 5.
Elk kanon geeft de elektronen een andere snelheid.
→
Een magneetveld B zorgt er vervolgens voor dat de
drie bundels van elkaar gescheiden worden en zo
ieder een ander luminifoor van het pixel raken.
4p
6
Beredeneer of de elektronen afkomstig van het 'rode'
of van het 'blauwe' elektronenkanon de grootste
snelheid hebben. Leid daartoe eerst een verband af tussen de snelheid van de elektronen en de
→
kromtestraal van hun baan in het magneetveld B.
→
De sterkte van het magneetveld B in een televisietoestel verschilt slechts weinig van de sterkte van
→
het aardmagneetveld. Een gevolg daarvan is dat B op het noordelijk halfrond anders moet worden
afgesteld dan op het zuidelijk halfrond. In figuur 6 is het aardmagneetveld getekend.
3p
7
→
Leg uit of B op het zuidelijk halfrond sterker of juist minder sterk moet zijn dan op het noordelijk
halfrond.
Opgave 3 Zonnedeeltjes (vwo – na – 1999 – tijdvak 2)
De zon bestaat uit een mengsel van elektronen en atoomkernen (plasma). Aan het oppervlak van de
zon heeft dit plasma een temperatuur waarbij veel straling in het zichtbare deel van het
elektromagnetische spectrum wordt uitgezonden. Men noemt dit lichtgevende oppervlak de
fotosfeer. Buiten de fotosfeer bevindt zich gas met een lagere temperatuur.
De meeste atoomkernen die in het plasma aan het oppervlak van de zon voorkomen, zijn protonen.
De elektronen en de protonen kunnen vrij bewegen en kunnen met grote snelheid aan de fotosfeer
ontsnappen. Ondanks de remmende werking van het gravitatieveld verwijderen ze zich soms ver van
de zon. In de buurt van de aarde verstoren dergelijke deeltjes het radio- en telefoonverkeer.
Om de zon bevindt zich een magnetisch veld. Op een bepaalde plaats lopen de magnetische
veldlijnen evenwijdig aan het oppervlak van de zon. Het magnetische veld is op die plaats homogeen.
Zie figuur 4.
In figuur 4 komen de magnetische veldlijnen het papier uit (naar je toe). De magnetische inductie is
1,510-2 T. In punt P ontsnapt plasma met een snelheid v van 6,5105 ms-1 loodrecht uit de fotosfeer.
Dit plasma bestaat uit protonen en elektronen. Door de lorentzkracht die deze deeltjes ondervinden,
beschrijven ze een cirkelvormige baan. In figuur 4 is de cirkelbaan PQ aangegeven die één van de
twee soorten deeltjes doorloopt. De beweging van deze deeltjes zorgt voor een elektrische stroom I
in de cirkelbaan.
4p
14 
Leg uit of het magnetische veld binnen het cirkelsegment groter wordt of kleiner wordt ten gevolge
van I. Teken daartoe eerst in de figuur de richting van de elektrische stroom I in cirkelbaan PQ.
4p
15 
Bereken hoe ver een proton dat bij P ontsnapt zich van de fotosfeer kan verwijderen.
Vlak bij de evenaar van de zon komen in de fotosfeer vaak
donkere gebieden voor: de zonnevlekken. In deze gebieden
bevinden zich sterke magneetpolen. De zonnevlekken
komen in paren voor. De ene vlek is dan een magnetische
noordpool, de andere een zuidpool.
In figuur 5 is het magnetische veld in de buurt van een paar
zonnevlekken geschetst. Bij de zuidpool staat de veldlijn k
loodrecht op het oppervlak van de zon. Veldlijn k is een
rechte. Langs k ontsnappen vrije protonen en elektronen
met een snelheid van 6,5105 ms-1. Als er geen magnetisch veld is, is deze snelheid voldoende om de
aarde te kunnen bereiken.
3p
16 
Leg uit of bij het getekende magnetische veld de langs veldlijn k bewegende protonen en elektronen
de aarde kunnen bereiken.
Opgave 3 Nieuw element
Lees het artikel.
Kernfysici zien nieuw element
artikel
Russische onderzoekers hebben vermoedelijk het
element met atoomnummer 114 geproduceerd. Al
tientallen jaren proberen natuurkundigen met
deeltjesversnellers kunstmatig zware kernen te
maken. Zij schieten lichte kernen met hoge snelheid
op zware kernen af in de hoop samensmelting tot
stand te brengen.
Bij het Russische onderzoek werden calcium-48ionen geschoten op plutonium-244.
Uit het radioactief verval van de gevormde
atoomkern konden de onderzoekers afleiden dat bij
deze botsing de isotoop met 175 neutronen van
element 114 gevormd was. Het gevormde element
zou een levensduur hebben van 30 seconde,
buitengewoon lang voor zo’n zware atoomkern.
naar: NRC Handelsblad, 30-01-1999
In een ionenbron worden verschillende calciumionen geproduceerd. Deze ionen worden gescheiden
door ze eerst in een elektrisch veld te versnellen en daarna in een magnetisch veld af te buigen. In
figuur 4 is schematisch de opstelling getekend met daarin de baan die een Ca2+-ion doorloopt.
3p
13 


5p
14 
Binnen de linker rechthoek heerst een homogeen magnetisch veld B dat loodrecht op het vlak van
tekening staat. Een deel van figuur 4 staat vergroot op de uitwerkbijlage.
Bepaal de richting van de magnetische inductie B.
Teken daartoe eerst in de figuur op de uitwerkbijlage in het punt S:
de richting van de stroom I of snelheid v;
de richting van de lorentzkracht FL op de ionen.
Het Ca2+-ion verlaat de ionenbron met een verwaarloosbare snelheid.
De spanning tussen de platen P en Q is 2,40 kV. De afstand RT bedraagt 52,6 cm.
Bereken de grootte van de magnetische inductie B.
Omdat het Ca2+-ion een zeer grote snelheid moet krijgen, wordt het vervolgens door een lineaire
versneller geleid. Zo’n versneller bestaat uit een aantal cilindervormige metalen buisjes, die zijn
aangesloten op een wisselspanning. Zie figuur 5.
4p
15 
De snelheid waarmee het Ca2+-ion uit de versneller komt, hangt samen met de amplitude en frequentie
van de wisselspanning. Men wil deze snelheid verhogen.
Beredeneer voor elk van de genoemde grootheden of de ingestelde waarde daartoe moet worden
vergroot of verkleind.