Das Ohmsche Gesetz - Didaktik der Physik!

Universität Bayreuth
12.12.2005-12-02
Physik Didaktik
Angewandte Fachdidaktik II
Leitung: Dr. S. Weber
Referent: A. Weiß
Das Ohmsche Gesetz
1. Physikalische Gesetzmäßigkeiten werden im Unterricht auf drei verschiedene Weisen
formuliert: In einer „je desto“ – Form, in quantitativer Form und in Form einer
allgemeingültigen Aussage (Allaussage). Wählen Sie ein Beispiel aus der
Elektrizitätslehre, an dem Sie diese drei Repräsentationsformen vorführen und
erläutern!
2. Skizzieren Sie zum Thema „Das Ohmsche Gesetz“ eine Unterrichtseinheit! Begründen
Sie dabei Ihre didaktischen Überlegungen und Entscheidungen!
3. Beschreiben Sie mit Hilfe eines Modells den Stromleitungsmechanismus in einem
Leiter, in einem Halbleiter und einer Halbleiterdiode!
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1. Physikalische Gesetzmäßigkeiten werden im Unterricht auf drei verschiedene Weisen
formuliert: In einer „je desto“ – Form, in quantitativer Form und in Form einer
allgemeingültigen Aussage (Allaussage). Wählen Sie ein Beispiel aus der
Elektrizitätslehre, an dem Sie diese drei Repräsentationsformen vorführen und
erläutern!
Die Repräsentationsformen werden am Beispiel des Ohmschen Gesetzes erläutert.
Zu der „je desto“ – Form:
Je größer der elektrische Strom ist, desto größer ist die an einem Körper anliegende
elektrische Spannung.
Mit der „Je desto“ – Form werden physikalische Sachverhalte auf das Qualitative reduziert.
Sie unterstützt den Schüler bei seinem Verständnis für einen Sachverhalt und dient ihm als
Merkregel. Allerdings können mit ihr das genaue verhalten physikalischer Größen zueinander
nicht betrachtet werden, so ist es z.B. nicht möglich zu entscheiden ob es sich bei einem
Widerstand um einen Ohmschen Widerstand handelt oder nicht, oder ob die Kennlinie linear
verläuft oder nicht. Abhängigkeiten, Sonderfälle, Randbedingungen und Grenzfälle werden
nicht berücksichtigt.
Zur quantitativen Form:
U=R*I
Mit der quantitativen Form werden physikalische Gesetzmäßigkeiten in Form eines
mathematischen Modells, hier Formel U = R*I, wiedergegeben. Sie erlaubt in ihrem
Gültigkeitsbereich die genaue Betrachtung des Verhaltens von physikalischen Größen
zueinander. Ihre Aussage kann ikonisch (bildlich) in Diagrammen wiedergegeben werden.
Bei der experimentellen Prüfung ihrer Aussagekraft müssen Messfehler berücksichtigt
werden. Die quantitative Form kann in ihrem Gültigkeitsbereich eingeschränkt sein -Grenze
von Modellen- und muss unter umständen in Abhängigkeit von dem betrachteten Sachverhalt
mit Zusatzformulierungen oder Korrekturfaktoren erweitert werden.
Zur allgemeingültigen Aussage:
Der Widerstand eines metallischen Leiters ist bei gleich bleibender Temperatur konstant
(Ohmsche Gesetz).
Die allgemeingültige Aussage kann als die schriftliche Formulierung von Definitionen,
Erfahrungssätzen oder empirischen Tatsachen angesehen werden.
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2. Skizzieren Sie zum Thema „Das Ohmsche Gesetz“ eine Unterrichtseinheit! Begründen
Sie dabei Ihre didaktischen Überlegungen und Entscheidungen!
Planung der ersten Doppelstunde zum Ohmschen Gesetz
Lernvoraussetzungen:
Die Schüler sollten:
- Strom als Bewegung von Ladungsträgern kennen.
- Die Spannungsquelle als „Elektronenpumpe“ kennen.
- Einfache elektrische Schaltungen kennen.
- Die Funktionsweise von Spannungs- und Strommesser, sowie von
Isolierstützen kennen.
- Die Bedingungen für die direkte Proportionalität kennen
Grobziel:
Die Schüler sollen wissen, das der Quotient aus der Größe der anliegenden elektr. Spannung
und der Größe des Stromes eines stromdurchflossenen Leiters dem elektr. Widerstand
entspricht, den der Leiter dem elektr. Strom entgegenstellt.
Feinziele:
Die Schüler sollen:
- FZ1: fähig sein, Ersatzmodelle für konkrete Problemstellungen zu finden.
- FZ2: fähig sein, Versuchsergebnisse abschätzen zu können.
- FZ3: einen Versuch zur Messung der Spannung und des Stromes an einem
stromdurchflossenen Leiter selbstständig planen können.
- FZ4: einen Versuch zur Messung der Spannung und des Stromes an einem
stromdurchflossenen Leiter selbstständig durchführen können.
- FZ5: wissen, dass bei konstantem elektr. Widerstand Spannung und
Stromstärke proportional zueinander sind.
- FZ6: für den Menschen gefährliche elektr. Spannungen abschätzen können.
Artikulation
Motivation
Problemfrage
Lehrerverhalten
L fragt: „Wenn
Stromstärken ab 0,02 A
bereits gefährlich für einen
Menschen sind, welchen
elektrischen Spannungen
dürfen wir dann höchstens
ausgesetzt sein?“
„Nun, wir könnten ja an
einen Freiwilligen von
euch eine Regelbare
Spannungsquelle
anschließen, die Spannung
langsam erhöhen und dabei
den elektrischen Stromfluss
messen, oder hat einer von
euch eine bessere Idee?“
L gibt wenn nötig Impuls
Schülerverhalten
Vermutlich nur
geratene Antworten
ohne Begründung.
Lehrform/Sozialf.
Frageunterricht
erarbeitend
FZ
S: „Wäre es denn nicht
sicherer den Strom und
die Spannung an einem
Ersatzgegenstand zu
messen?“
S: „Wir könnten
Unterrichtsgespräch
natürlich auch erst an
Lehrer Impuls
einem Draht prüfen,
wie sich Spannung und
-3-
FZ1
Medien
Stromstärke zueinander
verhalten?“
Meinungsbildung L: „Was würdet ihr
SS: „Vermutlich wird Unterrichtsgespräch
erwarten?“
der Strom beim
erarbeitend
Erhöhen der Spannung
Wenn nötig Impuls: „Wie ansteigen und beim
wird sich wohl der Strom
Erniedrigen der
verhalten, wenn ich die am Spannung sinken.“
Draht angelegte Spannung
verändere?“
Versuchsplanung L stellt die zur Verfügung
Gruppenarbeit
stehenden Geräte vor: 2
erarbeitend
Isolierstützen, 5
Isolierkabel, 1 Netzgerät
(0V...20V), Eisendraht
l=1m , d= 0,2mm
Spannungsmessgerät,
Strommessgerät.
Versuchsdurchführung
Lehrer gibt den
Arbeitsauftrag Versuch mit
Schaltskizze in Dreiergruppen auf Konzeptblatt
zu planen.
Lehrer geht beobachtend
durch das Klassenzimmer
und gibt Hilfestellung.
Danach kurze Bewertung
der verschiedenen
Planungen und
Entscheidung für einen
konkreten Versuchsplan
L wählt zwei Schüler zur
Versuchsdurchführung aus
Der Lehrer gibt während
der Versuchsdurchführung
Hilfestellung.
Versuchsauswertung
FZ2
FZ3
Versuchsplanung siehe
V1 im Anhang.
Konzeptblatt
beobachtend
Ein S skizziert
fragend
Schaltplan an die Tafel. entwickelnd
Zwei S bauen unter
Aufsicht des Lehrers
den Versuch am Pult
auf.
Tafel
Kreide
2 Isolierstützen
5 Isolierkabel
1 Netzgerät
1 Eisendraht l=1m,
d=0,2mm
Spannungsmessgerät
Strommessgerät
Die an dem Draht
Schülerdemonstration FZ4
anliegende Spannung
darbietend
Tafel
wird von einem
Kreide
Schüler schrittweise
erhöht, die gemessenen
Werte für U und I
werden an der Tafel
von einem Schüler in
eine U und I Tabelle
notiert.
Es ist zur Ableitung der
Wärme des Eisendrahtes
auf gute Belüftung zu
achten.
L zeichnet
versuchsbegleitend die
ermittelten Werte auf Folie
am Tageslichtprojektor in
ein I-U-Diagramm ein.
S: „Es entsteht eine
„Was können wir aus dem Ursprungsgerade. U
Graphen schließen?“
und I scheinen direkt
proportional
L entwickelt TA1
zueinander zu sein.“
sukzessiv:
„Aufgrund der
entstehenden
Ursprungsgerade gilt, dass
U ∼ I ist.
U = konst. * I,
die Konstante ist der
elektrische Widerstand den
ein Körper dem
elektrischen Strom
entgegensetzt. Er hat die
Einheit 1V/A=1 Ω und
wurde nach dem deutschen
Physiker Georg Simon
Ohm benannt.“
-4-
Frontalunterricht
erarbeitend
Folie
Tageslichtprojektor
FZ5
Tafel
Kreide
Sicherung
Sicherung/
Rückkehr zur
Erlebniswirklichkeit
Sicherung
L lässt TA1, den
Schaltplan, Tabelle und
Graphen ist Heft
übernehmen.
Schüler sollen den
Widerstand des Drahtes
berechnen.
L: „Jetzt, da wir die
Gesetzmäßigkeit zwischen
Strom und Spannung
kennen gelernt haben,
können wir die für einen
Menschen gefährliche
Spannung berechnen, wenn
wir den elektr. Widerstand
des Menschen kennen. Der
elektr. Widerstand des
Menschen beträgt ca.
1000Ω.“
L erklärt, dass der
Widerstand des Menschen
unterschiedlich sein kann
und der
Übergangswiderstand
ebenfalls berücksichtigt
werden muss (siehe
Anhang).
L: „Welche
Spannungsquellen kennt
ihr, die für einen Menschen
gefährlich sein können.“
(Sollte noch genügend Zeit
vorhanden sein, wird der
Widerstand eines Schüler
vermessen)
Lehrer gibt Sicherheitstipps
für den Notfall sollte
jemand unter elektr.
Spannung stehen und
Verhaltensweisen bei
Gewitter (siehe Anhang).
L gibt virtuelles
Experiment als
Hausaufgabe (siehe HA1).
Schüler sollen Messreihe
für fünf unterschiedliche
Situationen untersuchen.
Schüler übernehmen
Hefteintrag und
berechnen den
Widerstand des
Drahtes
Frontalunterricht
darbietend
Die Schüler berechnen Unterrichtsgespräch
die für einen Menschen erarbeitend
gefährliche Spannung:
U = R*I =
1000Ω*0,02A = 20V
FZ6
SS:
„Haushaltsspannung
mit 230V, Hochspannung mit 380V,
Blitze mit ca.
100000 V.
(Spannungsquelle
Spannungsmessgerät
Strommessgerät
5 Kabel
Krokodilklemmen
Elektroden)
Hausaufgabe
nacharbeitend
Planung der zweiten Doppelstunde zum Ohmschen Gesetz
Lernvoraussetzungen:
Die Schüler sollten:
- Strom als Bewegung von Ladungsträgern kennen.
- Die Spannungsquelle als „Elektronenpumpe“ kennen.
- Einfache elektrische Schaltungen kennen.
- Die Funktionsweise von Spannungs- und Strommesser, sowie von
Isolierstützen kennen.
- Wissen, das gilt U = R*I
- Die Bedingungen für die direkte Proportionalität kennen
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Grobziel:
Die Schüler sollen wissen, dass der Widerstand eines Leiters nicht zwangsweise konstant sein
muss, sondern auch von der Temperatur abhängig sein kann.
Feinziele:
Die Schüler sollen:
- FZ1: selbstständig Probleme analysieren können.
- FZ2: selbstständig einen Versuch zur Prüfung der Abhängigkeit des elektr.
Widerstandes von der Temperatur planen können.
- FZ3: einen Versuch zur Messung der Spannung und des Stromes an einem
stromdurchflossenen Leiter selbstständig durchführen können.
- FZ4: den Grund für die Widerstandsänderung eines Drahtes erkennen können.
- FZ5: wissen, dass bei Metallen bei gleichbleibender Temperatur der
elektr.Widerstand konstant ist.
Artikulation
Versuch als
Motivation
Versuchsdurchführung
Versuchsauswertung
Problemfrage
Meinungsbildung
Lehrerverhalten
L zeigt den Schülern den
Testdraht, welcher in der
letzten Stunde vermessen
wurde, jedoch wurde er
nun zu einer Wendel
zusammengerollt.
L legt an die Wendel
Spannung an und trägt
einen Wert in das I-UDiagramm auf der Folie
von letzter Stunde ein
Die Spannung an der
Drahtwendel wird
schrittweise erhöht, dabei
werden Spannung und
Strom gemessen. Die
Wendel beginnt zu glühen.
U und I werden in eine
Tabelle an der Tafel
eingetragen.
Der L gibt Anweisung die
Tabelle ins Heft zu
übernehmen und die
gemessenen Werte in ein
I-U-Diagramm
einzuzeichnen. Es soll
Platz für eine Überschrift
gelassen werden.
L: „ Was fällt euch an dem
Diagramm auf?“
Schülerverhalten
Lehrform/Sozialf.
Lehrerdemonstration
darbietend
FZ
5 Isolierstützen
2 Isolierkabel
1 Netzgerät
SS: „Der Messpunkt
weicht von der letzten
Messung ab. Wir sollten
eine weitere Messreihe
durchführen.“
Spannungsmessgerät
Strommessgerät
Tageslichtprojektor
Folie von letzter
Stunde
Lehrerdemonstration
darbietend
Schüler übernehmen
Tabelle und zeichnen IU-Diagramm.
Unterrichtsgespräch
erarbeitend
S: „Im Gegensatz zur
letzten Stunde sind U
und I nicht mehr
proportional zueinander.
Der elektrische
Widerstand des Drahtes
ist nicht mehr konstant.“
L: „Warum bleibt der
Widerstand des Drahtes,
im Gegensatz zur letzten
Stunde, nun nicht mehr
konstant?“
Unterrichtsgespräch
erarbeitend
SS: „Im Gegensatz zum
letzten Mal hat der
Draht zu glühen
begonnen.“
S: „Der Widerstand des
Drahtes ist aufgrund
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Medien
Gewendelter
Draht
Unterrichtsgespräch
erarbeitend
FZ1
seiner Erwärmung
gestiegen.“
Versuchsplanung L: „Wie muss die
Versuchsanordnung
modifiziert werden, um
die Abhängigkeit des
Widerstandes von der
Temperatur zu
überprüfen?“
SS: „Wir müssen den
Unterrichtsgespräch
Draht auf konstanter
erarbeitend
Temperatur halten.“
S: „Wir könnten den
Draht während der
Messung in ein
Wasserbad eintauchen.“
FZ2 Wasserbad
Krokodilklemmen
L zeichnet den neuen
Schaltplan mit Wasserbad
an die Tafel.
Danach wird der
Versuchsaufbau umgebaut
und die Glühwendel in das
Wasserbad eingetaucht.
Versuchsdurchführung
Versuchsauswertung
Lehrer wählt drei Schüler S1 reguliert die
zur Versuchsdurchführung Spannung, S2 ließt die
aus
gemessenen Werte ab,
S3 notiert sie in einer
U/I Tabelle an der Tafel.
L gibt Anweisung den
Schaltplan und die Tabelle
ins Heft zu übernehmen.
Die Schüler sollen das IU-Diagramm zeichnen,
während der Lehrer die
Messreihe in das bereits
bestehende Diagramm auf
der Folie einzeichnet.
L: „Was könnt ihr am
Diagramm erkennen?’“
L gibt Impuls: „Es ist
immer noch der selbe
Draht wie zu beginn der
Stunde. Aber warum
bleibt sein Widerstand nun
konstant?“
Lehrer regt an und gibt
Hinweise, damit Schüler
die Begründung
selbstständig formulieren
können.
Sicherung
Tafel
Kreide
Schülerdemonstration FZ3
darbietend
Unterrichtsgespräch
erarbeitend
Folie
Tageslichtprojektor
SS: „Verbindet man die
Messpunkte entsteht
wieder eine
Ursprungsgerade,
allerdings mit einer
anderen Steigung,
verglichen mit der aus
der letzten Stunde.“
S: „der elektrische
Widerstand des Drahtes
bleibt konstant.“
FZ4
S: „Die Drahtstücke
liegen bei der Wendel
näher zusammen und
wärmen sich
gegenseitig. Das Wasser
im Wasserbad nimmt
die entstehende Hitze
auf, so dass die
Temperatur konstant
bleibt. Die Größe des
Widerstandes ist anders
als beim letzten mal, da
auch seine Temperatur
anders ist.“
L: „Dieses Naturgesetz
wurde 1826 von Georg
Simon Ohm entdeckt. Es
besagt, dass der
Widerstand eines
metallischen Leiters bei
gleich bleibender
Frontalunterricht
darbietend
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FZ5 Tafel
Kreide
Temperatur konstant ist.“
Rückkehr zur
Erlebniswirklichkeit
Schüler übernehmen
Der L schreibt HE1 an die HE1.
Tafel.
L: „Die Abhängigkeit des
elektr. Widerstandes von
der Temperatur wird bei
Temperaturfühlern
verwandt, wie sie z.B. in
Waschmaschinen und
Geschirrspülern zum
Einsatz kommen.
Frontalunterricht
darbietend
Anhang zu den beiden Doppelstunden
Zur ersten Doppelstunde:
Schaltskizze zu V1:
Hefteintrag HE1:
Tabelle:
U in V
I in A
Diagramm:
U
in V
I in A
Aufgrund der entstehenden Ursprungsgerade gilt, dass U ∼ I ist.
U = konst. * I
die Konstante ist der elektrische Widerstand den ein Körper dem elektrischen Strom
entgegensetzt. Er hat die Einheit 1V/A=1 Ω und wurde nach dem deutschen Physiker Georg
Simon Ohm benannt.
U =R * I
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Zusätzliche Informationen (gehören nicht zum HE):
Abhängigkeit des elektr. Widerstandes des Menschen von:
- Der Feuchtigkeit der Haut / Oberfläche.
- Der Größe der Kontaktfläche.
- Der Dicke der Haut / Hornhaut (die Haut von alten Mensche ist dünner).
- Größe des Fettgewebes unter der Haut.
So kann der Übergangswiderstand zwischen 0 (große und feuchte Kontaktfläche) und
mehreren hundert Kiloohm (kleine und trockene Kontaktfläche) betragen.
Sicherheitshinweise:
Sollte eine Person unter elektrischer Spannung (z.B. beschädigte Kabel)stehen und sich selbst
nicht mehr von der Spannungsquelle lösen können (Verkrampfung der Muskeln), darf dieser
keinesfalls berührt werden. Stattdessen soll die Spannungsquelle (z.B. Stecker ziehen)
abgeschaltet werden, oder sollte dies nicht möglich sein die Person mit einem Isolator (z.B.
Holzlatte) von der Spannungsquelle trennen. Es ist darauf zu achten, dass ein Leitender
Untergrund auf dem die Person steht, z.B. eine Wasserpfütze, nicht betreten wird.
Bei Gewitter:
- Schutz in Gebäuden oder Fahrzeugen suchen (Faradaysche Käfig).
- Auf offenem Gelände möglichst klein machen (nicht der höchste Punkt sein).
- Unmittelbare nähe von Holzmasten (Bäume) meiden (Sekundarblitz,
Holzsplitter).
- Hinkauern, nicht hinlegen. Kontaktbereich zum Boden minimieren. Beim
Hocken Arme an den Körper, Kopf einziehen, Füße zusammenstellen
(Schrittspannung).
- Enge Mulden und Höhleneingänge meiden (Sekundarblitz).
Stromstärketabelle:
• Stromstärke I beim Zusammenziehen von Muskeln: 0,015 A = 15 mA
• Loslassgrenze (ab dieser Stromstärke ist der Mensch nicht mehr in der Lage, den
Leiter loszulassen, da die Muskeln verkrampfen und nicht mehr von Willen gesteuert
werden können): ca. 0,01 A = 10 mA
• Schmerzen und Verkrampfen der Atmung: ca. 0,02 A = 20 mA
• Tödlicher Stromstoß für Menschen: ca. 0,5 A = 500 mA (Diese Stromstärke wird
aufgrund des Innenwiderstandes des menschlichen Körpers (ca. 1000 Ohm) erst ab
bestimmten Spannungen erreicht, so dass gewöhnliche Batterien sowie elektrische
Spannungen bis etwa 12 V in der Regel harmlos sind.)
Hausaufgabe HA1:
Hier wird den Schülern ein Computerprogramm ausgegeben (z.B. per Email) mit dem der
elektrische Widerstand eines Menschen virtuell gemessen werden kann. Die Spannung ist
regelbar. Strom und an dem virtuellen Menschen anliegende Spannung können gemessen
werden. Feuchtigkeit, sowie Größen der Kontaktflächen können reguliert werden. Auch die
Beschaffenheit der Haut (Dicke, Hornhaut, Fettgewebe) kann variiert werden.
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Zur zweiten Doppelstunde:
Skizze zum Motivationsversuch:
Skizze zu V1:
Hefteintrag HE1:
Tabelle: (Wendel an Luft)
U in V
I in A
Tabelle: (Wendel im Wasserbad)
U in V
I in A
Diagramm:
Wendel im
Wasserbad
Wendel an
Luft
Eisendraht
Dieses Naturgesetz wurde 1826 von Georg Simon Ohm entdeckt. Es besagt, das der
Widerstand eines metallischen Leiters bei gleich bleibender Temperatur konstant ist.
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Begründen Sie Ihre didaktischen Überlegungen und Entscheidungen!
Folgend werden nur die wesentlichen Schritte begründet.
1. Um das Thema einleiten und behandeln zu können wurden zwei, in sich
abgeschlossene Unterrichtsdoppelstunden konstruiert. In der ersten Doppelstunde wird
der Schüler die Gesetzmäßigkeiten an einem konstanten elektrischen Widerstand
untersuchen, während er dann in der zweiten Stunde erkennt, dass ein elektrischer
Widerstand nicht immer konstant ist und sich somit das Ohmsche Gesetz erarbeitet.
Dies geschieht im Sinne der Didaktischen-Reihe: Vom einfachen zum schweren, vom
bekannten zum unbekannten!
2. Um einen für den Schüler möglichst interessanten Bezug zwischen einem
Stormdurchflossenen elektr. Widerstand und dem Alltagsleben des Schülers
herzustellen wurde für die Motivation die Frage nach der für einen Menschen
gefährlichen Größe der elektr. Spannung gewählt.
3. In beiden Doppelstunden planen die Schüler den Versuchsaufbau selbstständig.
Darüber hinaus wird der Versuch von einigen Schülern und nicht vom Lehrer selbst
durchgeführt, da favorisiert wird, die Schüler selbsttätig werden zu lassen, in Form
von Gruppenarbeiten und Schülerdemonstrationen.
4. Um den Graphen des I-U-Diagramms aus der ersten Doppelstunde (R = konst.) mit
dem Graphen aus der zweiten Doppelstunde vergleichen zu können (R nicht konst.)
wird dieser vom Lehrer auf Folie am Tageslichtprojektor gezeichnet. Dieser
Vergleich, mit der für die Schüler wohl erstaunlichen Erkenntnis, dass der Widerstand
nicht konstant bleibt, dient in der zweiten Doppelstunde als Motivation (Motivation
durch Erzeugung eines kognitiven Konflikts.
5. Um den Schülern eine Vorstellung von der Größe, der für den Menschen gefährlichen
elektr. Spannung zu geben, wird ihnen ein virtuelles Experiment zur Messung des
elektr. Widerstandes beim Menschen als Hausaufgabe gegeben. Dies spart nicht nur
wertvolle Unterrichtszeit, sondern fördert auch die Eigenständigkeit der Schüler.
6. Um in der zweiten Doppelstunde auf das Ohmsche Gesetz hinleiten zu können, wurde
für den Motivationsversuch der selbe Draht aus der ersten Doppelstunde verwandt,
jedoch wurde er gewendelt (Eigenerhitzung vergrößert sich), um die Abhängigkeit
seines elektr. Widerstandes von der Temperatur besser verdeutlichen zu können.
7. Schließlich soll gezeigt werden, dass der Widerstand bei Metallen bei gleichbleibender
Temperatur konstant ist, hierfür wird das zuvor vermessene Wendel (R war nicht
konst.) in ein Wasserbad getaucht (T = konst., R = konst.).
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3.
Beschreiben Sie mit Hilfe eines Modells den Stromleitungsmechanismus in einem
Leiter, in einem Halbleiter und einer Halbleiterdiode!
Je nach Leitfähigkeit des elektrischen Stromes unterscheidet man Leiter, Halbleiter und
Nichtleiter.
Leiter:
In metallischen Leitern lösen sich von jedem Atom ein bis drei Elektronen. Diese frei
beweglichen Elektronen stammen aus dem äußeren Bereich der Elektronenhülle und sind bei
anliegender elektr. Spannung verantwortlich für den elektr. Stromfluss im Leiter. In den
verbleibenden Atomrümpfen übertrifft die Kernladung die Ladung der gebundenen
Elektronen. Die Atomrümpfe wirken dadurch als positiv geladen. Diese positive Ladung ist
im festen Körper an feste Plätze gebunden.
Im Gegensatz zu den Leitern sind bei Isolatoren, bei Zimmertemperatur oder moderater
Spannung, alle Elektronen so stark in die Atombindung eingebunden, dass sie sich nicht vom
Atom loslösen können. Daher kann im Isolator kein Transport von Ladungen stattfinden.
Halbleiter:
Halbleiter besitzen bei tiefen Temperaturen keine frei beweglichen
Elektronen. Die äußeren Elektronen dienen zur
Elektronenpaarbindung bei der Atombindung.
Durch zuführen von Energie, z.B. Wärme beim Heißleiter oder Licht
beim Fotowiderstand, beginnen die Atome des Halbleiterkristalls
heftiger zu schwingen und es werden Elektronen aus den
Gitterbindungen „freigeschüttelt“. Diese freien Elektronen können
sich durch den Kristall bewegen; sie heißen Leitungselektronen.
Jedes freie Elektron hinterlässt am Ort der ursprünglichen
Gitterbindung ein Loch. Löcher können wie positive Ladungsträger
betrachtet werden. Löcher können freie Elektronen wieder
aufnehmen, sie rekombinieren. Je höher die Temperatur des
Halbleiterkristalls ist, desto mehr Elektronen-Loch-Paare mit
endlicher Lebensdauer werden pro Zeiteinheit erzeugt.
Ist an den Halbleiterkristall eine Spannung angelegt, bewegen sich
diese Leitungselektronen in Richtung Pluspol durch den Kristall: Es
entsteht ein Elektronenstrom.
Aufbau des Siliziumatoms
Kristallgitter von Silizium
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Ein Elektron aus der benachbarten Gitterbindung eines Loches kann
sich durch die Wärmebewegung, den Überschuss positiver Ladung
im benachbarten Loch und die Anziehung des Pluspols losreißen und
in das Loch hinüberspringen. Dieses Elektron hinterlässt aber
wiederum ein Loch, das bestrebt ist, ebenfalls ein Elektron
aufzunehmen. Tritt dieses „Springen“ mehrfach hintereinander auf,
so wandert das ursprüngliche Loch Richtung Minuspol durch den
Kristall. Durch die Löcherwanderung entsteht ein Löcherstrom, der
genauso wie die Elektronenleitung zur Leitfähigkeit des Halbleiters
beiträgt.
Im reinen Halbleiter findet Elektronen- und Löcherleitung statt. Diese
Elektrizitätsleitung nennt man Eigenleitung des Halbleiters. Sie ist
bei reinen Halbleitern noch sehr gering.
„Freigeschütteltes“ Elektron und Loch
Eigenleitung des Halbleiters
Halbleiterdiode:
Dotierte Halbleiter:
Um die Stromleitungseigenschaften von Halbleitern zu verbessern werden spezielle
Fremdatome in das Kristallgitter des Halbleiters eingebaut. Diesen Vorgang nennt man
Dotieren des Halbleiters.
n-Halbleiter:
In das Kristallgitter werden Fremdatome mit einer höheren
Wertigkeit als der des Halbleiter eingelagert. Dadurch befindet sich
an der Störstelle ein ungebundenes Elektron höherer Energie, welches
als freies Elektron zum Ladungstransport zur Verfügung steht und
schon bei kleinen Spannungen losgelöst werden kann. Fast alle durch
die Wärmebewegung entstehenden Löcher werden gleich wieder
aufgefüllt. Aufgrund des Überschusses an negativen Ladungsträgern
wird der Ladungstransport fast ausschließlich von den Elektronen
übernommen. Man spricht von einem n-Halbleiter.
p-Halbleiter:
In das Kristallgitter werden Fremdatome mit einer geringeren
Wertigkeit als der des Halbleiter eingelagert. Dadurch befindet sich
an der Störstelle ein Elektron zu wenig für die Gitterbindung. In
dieses Loch wird durch die Wärmebewegung ein Elektron aus einer
benachbarten Gitterbindung „geschüttelt“. Dort ist nun ein Loch
entstanden. Fast alle freien Elektronen rekombinieren gleich wieder
mit einem Loch. Elektronen aus Nachbarbindungen können jeweils in
Löcher springen und so einen Löcherstrom erzeugen. Da hier der
Strom durch die positiv geladenen Löcher überwiegt spricht man von
einem p-Halbleiter.
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n- Halbleiter
p- Halbleiter
Halbleiterdiode:
Bei einer Halbleiterdiode sind eine p- und eine n-dotierte
Schicht in einem Bauteil vereinigt, es liegt ein pn- Übergang
vor. Aufgrund der Wärmebewegung treten freie Elektronen aus
dem n-Gebiet in das p-Gebiet und Löcher aus dem p-Gebiet in
das n-Gebiet über. Trifft ein freies Elektron auf ein Loch,
rekombinieren beide. So entsteht zwischen den beiden
Schichten eine an Ladungsträgern verarmte Zone. In der
Grenzschicht des n-Halbleiters bleiben ortsgebundene positiv
Ladungen zurück und in der Grenzschicht des p-Halbleiters
ortsgebundene negative Ladungen. Diese fest sitzenden
Ladungen üben auf die beweglichen Ladungsträger des anderen
Gebiets abstoßende Kräfte aus. Dieses Gebiet hohen
elektrischen Widerstands wird als pn- Grenzschicht bezeichnet.
Wird der Minuspol einer Spannungsquelle am n- leitenden
Gebiet angelegt und der Pluspol am p- leitenden Gebiet, so
werden die Elektronen des n- Gebiets und die Löcher des pGebiets durch Abstoßung auf die Grenzschicht zugetrieben. Ist
die angelegte Spannung groß genug, können freie Elektronen
und die Löcher gegen die elektrische Abstoßung der
Grenzschicht anlaufen. Treffen dann wieder Elektronen auf
Löcher, so rekombinieren beide. Jedoch werden die
rekombinierten Ladungsträger laufend von der Stromquelle
ersetzt. Aus dem Minuspol treten Elektronen in das n- Gebiet
über, auf den Pluspol wechseln gebundene Elektronen aus dem
p- Gebiet und bilden dabei neue Löcher. Im Stromkreis kommt
also ein Elektronenstrom zustande: Die Diode leitet. Die Diode
wird in Durchlassrichtung betrieben.
Liegt der Pluspol an dem n- Gebiet an und der Minuspol am pGebiet, so werden die freien Elektronen des n- Gebiets vom
Pluspol angezogen und die Löcher vom Minuspol im p- Gebiet.
Somit werden die Ladungsträger weiter von der Grenzschicht
weggezogen. Die Grenzschicht wird zur Sperrschicht. Die
Diode wird in Sperrrichtung betrieben.
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U-I-Kennlinien: Silizium-, Germanium- und
Leuchtiode