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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 Strom Stromkreis: kann inKupfer Form ist eines Elektronenstrahls ein Leiter, Kunststoffe auch im sind Vakuum Isolatoren. 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 gibt Jedes Kupferatom Bindungspaar; es bleiben bei der Metallbindung keine freieninElektronen Elektronen ein für einen Stromfluß. 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 Leitungselektronen. Technische Stromrichtung: von Plus nach Minus. Deshalb wird der elektrische Strom als Quotient aus fließender Die Stromstärke Ladung Q undwird mit analogen Drehspulinstrut Zeitdifferenz menten oder digitalem festgelegt. Ampermeter gemessen. Elektrischer Widerstand Elektrische Bauteile Leiten den Strom bei einer bestimmten Spannung mehr oder weniger gut (elektrischer Widerstand R). Zur Vorsicht: Überprüfung der Widerstand eignet sich einiger ein Bauteile U-I-Diagramm, ist nicht das konstant. in einem Stromkreis mit einem Amperemeter und Gleichung Die einem Voltmeter R=U/I ermittelt nach U oder wird. I aufzulösen Findet man eine macht nurUrsprungsSinn, wenn R gerade soist. konstant ist R konstant. Veränderliche Widerstände In einem Halbleitermaterial sich der In einemändert HalbleiterWiderstand der material mitmit großer Temperatur; je höher, Oberfläche und geringer desto mehr Elektronen Schichtdicke kann der werden aus Bindungen Widerstand durch unter‘freigeschüttelt’. schiedliche Lichtstärke (Temperatursensor). sehr verändert werden. Jedes einfallende Lichtteilchen mit einer ausreichend großen Energie kann ein Elektron freisetzen. (Lichtsensor) Kirchhoff’sche Gesetze Elektrische Knoten: I Ik>0 Ik<0 k 0 für Strom aus dem Knoten für Strom in den Knoten Elektrische Masche: U k 0 Uk>0 für den Spannungsabfall über einem Widerstand, Spannungsquelle von + nach – Pol. Uk<0 für Spannungsquelle von – nach + Pol Kombination von Widerständen Reihenschaltung: I I1 I 2 const U U1 U 2 R I R1 I1 R2 I 2 R R1 R2 Parallelschaltung: U U1 U 2 const U U1 U 2 I I1 I 2 R R1 R2 1 1 1 R R1 R2 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 Vakuumdiode. 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. CuSO4 Cu SO4 Freie Ladungsträger in Wasser (Elektrolyte) können den Strom leiten. 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 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! 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 aufgenommene Strom Ia? c) Berechnen Sie die Ausgangsspannung des Spannungsteiler mit (Ua) und ohne (U0) den Belastungswiderstand Ra.
