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1 Elektrische Leitungsvorgänge
1.1 Elektrische Leitung in festen Körpern
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Antwort zu 1.):
Antwort zu 2.):
Antwort zu 3.):
Antwort zu 4.):
Antwort zu 5.):
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1.2 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten
Entsprechend dem allgemeinen Leitungsmodell müssen für einen elektrischen Leitungsvorgang zwei Voraussetzungen erfüllt sein:
c
d
Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges in Flüssigkeiten ist dadurch gekennzeichnet, dass
¾
¾
¾
Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten können überall dort auftreten, wo sich Ionen in einer Flüssigkeit befinden. Das ist z. B. auch bei Mineralwasser oder Leitungswasser der Fall. Deshalb:
Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten werden z. B. bei der Elektrolyse, beim Galvanisieren oder
beim Lackieren von Autoteilen genutzt.
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Als Dissoziation bezeichnet man die Aufspaltung von Molekülen
in kleinere Bestandteile. Dies können Atome, einfache Ionen oder
Ionenverbindungen sein. Die Dissoziation von Molekülen wird durch
verschiedene Vorgänge ausgelöst. Sie erfolgt beim Lösen von Stoffen in Wasser oder anderen Lösungsmitteln, kann aber auch durch
hohe Temperaturen, elektrische Ströme, radioaktive oder elektromagnetische Strahlung hervorgerufen werden.
Nachfolgend wird als Beispiel die Dissoziation von Kochsalzkristallen
in Wasser näher betrachtet. Im Kristallgefüge werden die einzelnen
Natrium- und Chlorionen durch die gegenseitige elektrostatische Anziehung an ihrem Platz gehalten. Dabei sind die Natriumionen positiv
und die Chlorionen negativ geladen. Gelangt ein Kochsalzkristall in
Wasser, dann treten die Ionen an seiner Oberfläche in Wechselwirkung mit den Wassermolekülen. Dabei wirkt sich besonders der Dipolcharakter der Wassermoleküle aus. Darunter versteht man folgende
Eigenschaft:
In den Wassermolekülen sind die Wasserstoffatome und
die Sauerstoffatome mit ihren gemeinsamen Bindungselektronen so verteilt, dass ein Teil des länglichen Wassermoleküles positiv, der andere Teil negativ geladen ist. Die
Wassermoleküle lagern sich daher so an die Kochsalzoberfläche an, dass ihr positiv geladener Abschnitt in Richtung Chlorionen zeigt und diese weitgehend umschließt.
Andere Wassermoleküle lagern sich mit ihrem negativ geladener Teil um die Natriumionen an.
Durch die Wassermoleküle werden die von den Ionen ausgehenden
elektrostatischen Kräfte abgeschwächt. Die Ionen an der Oberfläche
werden dadurch nicht mehr ausreichend an das Kochsalzgitter gebunden und verlassen es. Kurz darauf umschließen die Wassermoleküle die einzelnen freien Ionen vollständig. Sie bilden ein kleine
Wasserhülle um sie, die man auch Solvathülle nennt. Schritt für Schritt
wird nun der ganze Kristall gelöst - er dissoziiert. Die Dissoziationsgleichung lautet in diesem Fall:
Die einzelnen Ionen sind mit ihren Solvathüllen im Wasser nahezu
frei beweglich. Ausreichend durch die geordneten Wassermoleküle
ihrer Solvathüllen abgeschirmt beeinflussen sie sich - verglichen mit
den Kräften im Kristallgitter - kaum noch gegenseitig.
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NaCl (Kochsalz) wird in H2O (Wasser) aufgelöst.
NaCl
Cl−
Na+
H2O
Cl−
+
Na+
−
Na Cl
H2O Cl
−
Na
+
Cl−
Na
+
Anode (verbunden mit dem Pluspol) und Katode (verbunden mit dem Minuspol) einer Spannungsquelle
werden in die Flüssigkeit getaucht. Zur Kontrolle wird
ein Ampèremeter, das den elektrischen Strom misst,
in die Leitung eingeschalten.
A
Cl−
+
−
Na Cl
H2O Cl−
Na+
Na+
Cl−
Na+
A
Na+
−
Na+ Cl
Cl−
H2O
Cl−
Na+ Cl−
Na+
A
H+
H+
Cl−
NaOH
NaOH
H2O Cl−
+
Cl− Na
Cl−
Na+
A
−
−
−
H2
NaOH
NaOH
H2O Cl−
An der Anode (Pluspol) angekommen, gibt das negative Cl- - Ion sein Elektron an die Anode ab. Gleichzeitig reagiert das positve Na+ - Ion mit H2O, so dass
H+ und NaOH entsteht. An der Katode (Minuspol)
nimmt das positive H+ - Ion ein Elektron auf.
C l2
+
Cl− Na
−
Das Elektron, das an der Anode von dem Cl- - Ion
abgegeben wird, fliesst also durch das Ampèremeter
zum Pluspol der Spannungsquelle, geht innerhalb der
Spannungsquelle zum Minuspol und fliesst dann zur
Katode, wo das Elektron dann von dem H+ - Ion aufgenommen wird.
Na+
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1.3 Elektrische Leitung in Halbleitern
1.3.1 Eigenleitung
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1.3.2 Fremdleitung
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2 Die Halbleiterdiode
2.1 Aufbau und Funktion der Halbleiterdiode
Bereits im Herstellungsprozess der Diode
rekombinieren im Grenzbereich von n-Schicht und pSchicht kurzzeitig freie Elektronen und Defektelektronen (Löcher). Diese Sperrschicht
(Rekombinationsschicht) ist zwar nur ca. 1/10mm stark,
kann aber von weiteren beweglichen Ladungsträgern
der beiden Halbleiter-Schichten zunächst nicht überwunden werden.
Die Diode hat dabei einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand.
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Der Pluspol der Stromquelle saugt einige Elektronen
aus der n-Schicht ab und der Minuspol der Stromquelle
„presst“ gleichzeitig einige Elektronen in die p-Schicht,
die in Rekombinationssprüngen zur Sperrschicht wandern (Sogwirkung des Pluspols) und die Sperrschicht
noch weiter verbreitern.
Der el. Widerstand der Diode hat sich dadurch vergrößert.
Die Diode ist in Sperr-Richtung geschaltet.
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Der Pluspol der Stromquelle saugt Elektronen aus der
Sperrschicht ab, der Minuspol „presst“ Elektronen in
die n-Schicht. Ab der Durchbruchspannung (Schwellenwert) von ca. 0,7 Volt ist die Sperrschicht vollständig
aufgelöst. Elektronen wandern dann vom n-Anschluß in
Rekombinationssprüngen durch die n-Schicht und die
p-Schicht zum p-Anschluß der Diode.
Der elektrische Widerstand der Diode ist dabei sehr gering geworden.
Die Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.
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2.2 Die Diode als Einweg-Gleichrichter
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2.3 Die Diode als Zweiweg-Gleichrichter
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3 Der Transistor
3.1 Aufbau und Funktion des Transistors
Steuerstromkreis:
Laststromkreis:
Da der Schalter S geöffnet ist, fließt im
Steuerstromkreis (zwischen B und E) kein
Strom.
(Die BE-Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.)
Im Laststromkreis (zwischen C, B und E
fließt ebenfalls kein Strom, da die obere
BC-Diode in Sperr-Richtung geschaltet
ist. Die Lampe L leuchtet folglich nicht.
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Steuerstromkreis:
Laststromkreis:
Da der Schalter S geschlossen ist, fließt
im Steuerstromkreis (zwischen B und E)
ein Strom, der vom Schutzwiderstand R
begrenzt wird (die BE-Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.)
Im Laststromkreis (zwischen C, B und E)
leuchtet die Lampe L auf und deutet darauf hin, dass in diesem Stromkreis ebenfalls ein Strom fließt, obwohl die obere BCDiode in Sperr-Richtung geschaltet ist.
Dieses zunächst unerwartete Verhalten
nennt man den Transistoreffekt.
Transistoreffekt:
Die mittlere Basisschicht des Transistors ist extrem dünn gebaut. Erreicht der Emitter-Basis-Elektronen-strom (in der Skizze grün gezeichnet), der vom Minuspol von
SQ1 zum Pluspol von SQ1 fließt, eine gewisse Stärke, so reißen diese Elektronen weitere Elektronen vom Minuspol von SQ2 mit (in der Skizze magenta gezeichnet), die die
obere Sperrschicht durchdringen und über den Kollektor zum Pluspol von SQ2 fliessen.
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3.2 Der Transistor als Schalter
+
L
C
A rbeitskreis
B
Ug = 9 V
T
+
UBE = 0..1V
−
E
UBE
Steuerkreis
−
Steuerspannung U BE
BE
0V
0,1 V - 0,6 V
0,7 V - 1 V
Transistor
IArbeitskreis
Lampe
Der Transistor ist im Arbeitskreis mit der Glühlampe in Serie geschaltet.
Merksatz:
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+
L
R1
U1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
T
Ug = 9 V
E
R2
U2
UBE
−
R1
R2
U1
U2
U BE
BE
Transistor
IArbeitskreis
Lampe
Merksatz:
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3.2.1 Hellsteuerung mit Transistor
Schaltskizze:
+
L
R1
U1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
T
Ug 9V−
E
R2
U2
UBE
−
R1 :
R2 :
L :
T :
Photowiderstand
Ω
regelbarer Widerstand 10 kΩ
Glühlampe 4V / 0,04A
npn - Transistor
Funktion:
Wird der Photowiderstand im Steuerkreis beleuchtet, so leuchtet im Arbeitskreis die Lampe.
Wird der Photowiderstand im Steuerkreis nicht beleuchtet, so leuchtet im Arbeitskreis die Lampe nicht.
Aufbau:
Die Schaltung besteht aus 2 zueinander parallelen Spannungsteilern:
1. Spannungsteiler (Arbeitskreis): Lampe und Transistor
2. Spannungsteiler (Steuerkreis): Photowiderstand R1 und Drehwiderstand R2
Bei verdunkeltem Photowiderstand wird der Drehwiderstand so eingestellt, daß
der Transistor den Arbeitskreis sperrt und die Lampe nicht brennt.
U2 < 0,7 V.
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+
Erklärung:
L leuchtet nicht
R 1 U1 = 8,5 V
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
Ug = 9 V
T sperrt
E
R2 U2 = 0,5 V
UBE = 0,5 V
−
A) Verdunklung
Photowiderstand und Drehwiderstand teilen sich die Spannung von 9 V im
Verhältnis ihrer Widerstandswerte.
Der verdunkelte Photowiderstand hat einen sehr hohen Widerstandswert. Der
Drehwiderstand wird so eingestellt, daß an ihm eine Spannung U2 = 0,5 V liegt.
Da Basis und Emitter des Transistors parallel zum Drehwiderstand geschaltet
sind, liegt zwischen Basis und Emitter eine Spannung UBE = 0,5 V.
Der Transistor sperrt den Arbeitsstromkreis.
Die Lampe im Arbeitskreis leuchtet nicht.
+
L leuchtet
R 1 U1 = 8,1V
Steuerkreis
C
A rbe itsk reis
B
T öffnet
Ug = 9 V
E
R2 U2 = 0,9 V
UBE = 0,9 V
−
B) Beleuchtung
Wird der Photowiderstand beleuchtet, so sinkt sein Widerstandswert. Da der
Drehwiderstand nicht verändert wird, ist R2 unverändert. Das Verhältnis der
Widerstandswerte hat sich verändert, daher verändern sich die Teilspannungen U1 und U2. U1 wird kleiner, dadurch wird U2 > 0,7 V. Zwischen Basis und
Emitter des Transistors liegt eine Spannung UBE > 0,7 V.
Der Transistor gibt den Arbeitskreis frei.
Die Lampe im Arbeitskreis leuchtet.
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3.2.2 Dunkelsteuerung mit Transistor
Schaltskizze:
+
L
R1
U1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
T
Ug = 9 V
E
R2
U2
UBE
−
R1 : regelbarer Widerstand 10 kΩ
R2 : Photowiderstand
L : Glühlampe 4 V/0,04 A
T : npn − Transistor
Funktion:
Aufbau:
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+
Erklärung:
R1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
Ug = 9 V
E
R2
−
A)
+
R1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
Ug = 9 V
E
R2
−
B)
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3.2.3 Feuermelder mit Transistor
Schaltskizze:
+
ϑ
L
R1
U1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
T
Ug 9V−
E
R2
U2
UBE
−
R1 : NTC − Widers tan d
R2 : regelbarer Widerstand 10 kΩ
L : Glühlampe 4 V/0,04 A
T : npn − Transistor
Funktion:
Aufbau:
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+
Erklärung:
ϑ
R1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
Ug 9V−
E
R2
−
A)
+
ϑ
R1
Steuerkreis
C
A rbeitskreis
B
Ug 9V−
E
R2
−
B)
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3.2.4 Frostmelder mit Transistor
Schaltskizze:
+
L
R1
U1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
ϑ
T
Ug 9V−
E
R2
U2
UBE
−
R1 : regelbarer Widerstand 10 kΩ
R2 : NTC − Widers tan d
L : Glühlampe 4 V/0,04 A
T : npn − Transistor
Funktion:
Aufbau:
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+
Erklärung:
R1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
ϑ
Ug 9V−
E
R2
−
A)
+
R1
Steuerkreis
C
A rb e itsk re is
B
ϑ
Ug 9V−
E
R2
−
B)
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3.2.5 Feuchtigkeitsmelder mit Transistor
Schaltskizze:
+
L
R1
U1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
T
Ug 9V−
E
R2
U2
UBE
−
R1 : Berührungs − Sensor
R2 : regelbarer Widerstand 10 kΩ
L : Glühlampe 4 V/0,04 A
T : npn − Transistor
Funktion:
Aufbau:
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+
Erklärung:
R1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
Ug 9V−
E
R2
−
A)
+
R1
Steuerkreis
C
A rb e its k re is
B
Ug 9V−
E
R2
−
B)
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3.2.6 Trockenmelder mit Transistor
Schaltskizze:
+
L
R1
U1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
T
Ug 9V−
E
R2
U2
UBE
−
R1 : regelbarer Widerstand 10 kΩ
R2 : Berührungs − Sensor
L : Glühlampe 4 V/0,04 A
T : npn − Transistor
Funktion:
Aufbau:
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+
Erklärung:
R1
Steuerkreis
C
Arbeitskreis
B
Ug 9V−
E
R2
−
A)
+
R1
Steuerkreis
C
A rb e its k re is
B
Ug 9V−
E
R2
−
B)
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