Leiter und Isolator

Ein Stromkreis besteht aus einer leitenden Verbindung zwischen den beiden Polen einer Elektrizitätsquelle, in die noch mindestens ein Bauteil (Lampe) eingeschaltet ist, das den Stromfluß begrenzt.

Materialientest im Stromkreis: Kupfer ist ein Leiter, Kunststoffe sind Isolatoren.

Strom kann in Form eines Elektronenstrahls auch im Vakuum fließen

Stromfluß mikroskopisch betrachtet

Ein Musterbeispiel ist Silicium, das in Reinstform ein Isolator ist. Jedes Atom hat vier nächste Nachbarn. Jedes der vier Valenzelektronen bildet ein stabiles Bindungspaar; es bleiben keine freien Elektronen für einen Stromfluß.

Jedes Kupferatom gibt bei der Metallbindung Elektronen in ein gemeinsames ‘Elektronengas’. Damit sind Metalle automatisch sehr gute elektrische Leiter.

Elektrische Stromstärke

Liegt eine Spannung an einem Leiter an, so wirkt eine Kraft auf die frei beweglichen Leitungs-elektronen. Technische Stromrichtung: von Plus nach Minus. Deshalb wird der elektrische Strom als Quotient aus fließender Ladung Q und Zeitdifferenz t festgelegt.

Die Stromstärke wird mit analogen Drehspulinstru-menten oder digitalem Ampermeter gemessen.

Elektrischer Widerstand

Elektrische Bauteile Leiten den Strom bei einer bestimmten Spannung mehr oder weniger gut (elektrischer Widerstand R). Vorsicht: der Widerstand einiger Bauteile ist nicht konstant.

Zur Überprüfung eignet sich ein U-I-Diagramm, das in einem Stromkreis mit einem Amperemeter und einem Voltmeter ermittelt wird. Findet man eine Ursprungs-gerade so ist R konstant.

Die Gleichung R=U/I nach U oder I aufzulösen macht nur Sinn, wenn R konstant ist.

Veränderliche Widerstände

In einem Halbleiter-material ändert sich der Widerstand mit der Temperatur; je höher, desto mehr Elektronen werden aus Bindungen ‘freigeschüttelt’. (Temperatursensor).

In einem Halbleiter-material mit großer Oberfläche und geringer Schichtdicke kann der Widerstand durch unter-schiedliche Lichtstärke sehr verändert werden. Jedes einfallende Lichtteilchen mit einer ausreichend großen Energie kann ein Elektron freisetzen. (Lichtsensor)

Kirchhoff’sche Gesetze

Elektrische Knoten:

0 kI

Ik>0 für Strom aus dem Knoten Ik<0 für Strom in den Knoten

Elektrische Masche:

0 kU

Uk>0 für den Spannungsabfall über einem Widerstand, Spannungsquelle von + nach – Pol. Uk<0 für Spannungsquelle von – nach + Pol

Kombination von Widerständen

Reihenschaltung:

constIII 21

Parallelschaltung:

221121 IRIRIRUUU

21 RRR

constUUU 21

2

2

1

121 R

U

R

U

R

UIII

21

111

RRR

Elektrischer Strom im Vakuum

Die Vakuumdiode mit den zwei Elektroden, der heißen Glühkathode (-) und der kalten Anode (+).

Die Ortsabhängigkeit des Feldes von der Raumladungsverteilung in einer Vakuum-diode.Für sehr große Anodenspannungen ist die Strom-Spannungs-Kennlinie konstant (Sättigungsstrom). Die große Feldstärke saugt alle Ladungsträger ab (keine Raumladungszone).Anwendung: Gleichrichtung einer Wechselspannung.

Elektrischer Strom im Gas

Man bezeichnet das Auftreten eines elektrischen Stroms in einem Gas als Entladung. In allen Fällen werden die Gasatome ionisiert (d.h. in ein Elektron und ein positives Ion zerlegt).

Rekombinationsbereich Gültigkeit des Ohm’schen Gesetzes Sättigungsbereich alle Elektron-Ion-Paare erreichen die Elektroden Stoßionisation Multiplikationsfaktor <105: Proportionalbereich

Anwendung: Leuchtstoffröhre, Bogenentladung, Funkenentladung

Elektrischer Strom in Flüssigkeit

Wässrige Lösung von heteropolar gebundenen Molekülen.

heteropolare Molekülverbindung: Die Bindung wird durch die elektrische Kraft zwischen den geladenen Atomen verursacht. Heteropolar gebundene Moleküle zerlegen sich in Wasser in ihre geladenen Bestandteile.

Freie Ladungsträger in Wasser (Elektrolyte) können den Strom leiten.

44 SOCuCuSO

Elektrischer Strom im Festkörper

Zustandsbänder und Elektronendichteverteilung in einem metallischen Leiter:

Die Ladungsträger in einem metallischen Leiter sind nur freie Elektronen. Die Elektronen im Leitungsband können sich frei, aber nicht reibungsfrei bewegen. Die positiven Ionen bewirken, daß das elektrische Feld im Innern des Leiters homogen ist.

Elektrischer Strom im Festkörper

Zustandsbänder und Elektronendichteverteilung in einem Halbleiter und Nichtleiter

Energielücke zwischen Leitungsband und Valenzband: 0,67 eV (Ge) und 1,12 eV (Si)

Fragen zum elektrischen Strom

2. Der gezeichnete Spannungsteiler ist durch den Widerstand Ra belastet. Die Schaltanordnung entnimmt der Batterie einen Strom I=81,8mA.

a) Wie groß ist Ra? b) Wie groß ist der von Ra aufgenom-

mene Strom Ia? c) Berechnen Sie die Ausgangs-

spannung des Spannungsteiler mit (Ua) und ohne (U0) den Belastungs-widerstand Ra.

1. Ein Glühlämpchen hat die Betyriebswerte 7V, 0,3A. a) Berechnen Sie den Widerstand bei der Betriebsspannung 7V! b) Ist der Widerstand bei einer Betriebsspannung von 3V gleich, größer

oder kleiner als bei 7V? Begründen Sie Ihre Meinung!