Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Elektronenstrahlhärtung 2026

Elektronenstrahlen zur Härtung von Lacken

Viele Lacke trocknen durch den Eintrag von Wärme. Es gibt jedoch auch Verfahren, bei denen Lacke durch Elektronenbeschuss aushärten. Die kinetische Energie der Elektronen wird auf die Moleküle im flüssigen Lack übertragen, sodass diese sich miteinander vernetzen und einen festen Lack bilden.

Material 1: Erzeugung eines Elektronenstrahls

Zur Erzeugung eines Elektronenstrahls wird eine sogenannte Elektronenkanone verwendet. Aus einem Glühdraht können Elektronen austreten, wenn dieser beheizt ist. Diese Elektronen befinden sich zwischen dem Glühdraht und einer Lochanode in einem elektrischen Feld, welches durch eine zwischen diesen Bauteilen angelegte Spannung entsteht. Die beiden Spannungen $U_\text{H}$ (Heizspannung) und $U_\text{B}$ (Beschleunigungsspannung) bestimmen die Leistung des Elektronenstrahls. Diese gibt die Summe der Energiebeträge aller je Zeitspanne emittierten Elektronen dividiert durch diese Zeitspanne an. Durch den Betrag der Heizspannung kann die Anzahl der freigesetzten Elektronen pro Sekunde gesteuert werden. Vereinfachend wird angenommen, dass der gesamte Lackierprozess im Vakuum stattfindet.

1 Zunächst soll der Elektronenstrahl näher betrachtet werden.

a)

Erklären Sie mithilfe von Material 1 den Beschleunigungsvorgang von Elektronen innerhalb der Elektronenkanone. [4 BE]

b)

Erklären Sie mithilfe von Material 1 jeweils den Einfluss der Heiz- und Beschleunigungsspannung auf die Leistung des Elektronenstrahls. [4 BE]