Modell fur elektrische Leitungsvorgange

"Modell" für elektrische Leitungsvorgänge

Voraussetzungen für einen elektrischen Leitungsvorgang

Damit es in einem Stoff zu einem elektrischen Leitungsvorgang kommt müssen in ihm frei bewegliche Ladungsträger (Ionen, Elektronen) vorhanden sein. Außerdem muß an ihm eine elektrische Spannung (elektrisches Feld) anliegen.

Der elektrische Leitungsvorgang

Legt man an einen Stoff eine elektrische Spannung an, setzt ihn also einem elektrischen Feld aus, so regt man die frei beweglichen Ladungsträger (Elektronen, Ionen) in ihm zur Bewegung an. Die Ladungsträger bewegen sich zu der ihrer Ladung entgegengesetzten Elektrode. Ihre Bewegung ist gerichtet und daher fließt ein elektrischer Strom. Die Stromstärke ergibt sich aus der Summe der Stromstärken der negativen Ladungsträger und der positiven Ladungsträger.

Metalle

Im Metall stehen von Anfang an schon frei bewegliche Ladungsträger zur Verfügung. Diese frei beweglichen Ladungsträger sind die abgespaltenen äußeren Elektronen der Atome, die das Ionengitter in Metallen bilden. Die Elektronen bewegen sich zum positiven Pol hin (Anziehung), gleichzeitig strömen Elektronen vom negativen Pol nach (Abgabe, weil Überschuß). Die Bewegung der Elektronen ist gerichtet und daher fließt ein Strom.

Flüssigkeiten

Bevor in einer Flüssigkeit ein elektrischer Strom fließt müssen chemische Vorgänge stattfinden. Durch Dissoziation der Elektrolyte (Stoffe mit Ionenbeziehungen) im Wasser entstehen frei bewegliche, positive und negative Ionen. Im elektrischen Feld wandern die Ionen immer zu der Elektrode die ihrer Ladung entgegengesetzt ist (Anziehung). Die Bewegung der Ionen ist gerichtet und daher fließt ein Strom. An den Elektroden werden die Ionen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen entladen (neutralisiert). Dabei findet eine Abscheidung von Stoffen statt.

Gase

Gase sind Stoffe, die aus elektrisch neutralen Teilchen bestehen. Durch Energiezufuhr können Ionen und Elektronen gebildet werden, die im Gas frei beweglich sind. Moleküle werden durch Energiezufuhr in positiv und negativ geladene Teilchen (Ionen) gespalten. Das negative Ion verbindet sich mit einem Atom unter Abgabe von einem Elektron. Das positiv geladene Ion und das Elektron wandern jeweils zu der zu ihrer Ladung entgegengesetzten Elektrode (Anziehung). Die Bewegung der positiv geladenen Ionen und der Elektronen ist gerichtet und daher fließt ein Strom.

Halbleiter

Bei T=0°K sind reine Halbleiter Isolatoren. Die Elektronen sind an regelmäßig angeordnete Atome gebunden. Durch Energiezufuhr (Erwärmung, Belichtung) können Elektronen aus dem Kristallverband herausgelöst werden und positive "Löcher" (Defektelektronen) hinterlassen. Die Elektronen und die Defektelektronen bewegen sich gerichtet zu der ihrer Ladung entgegengesetzten Elektrode. Ein Strom fließt. Durch Dotieren (Einbau von Fremdatomen in einen reinen Halbleiterkristall) kann die elektrische Leitfähigkeit erhöht werden, weil zusätzliche Ladungsträger frei werden.

Vakuum

Im Vakuum ist ein elektrischer Leitungsvorgang nur möglich, wenn in das Vakuum Elektronen gebracht und diese in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Dazu wird ein Metall oder ein Metalloxid in das Vakuum eingebracht und durch Erwärmung oder Belichtung treten die frei beweglichen Elektronen des Ionengitters im Metall(oxid) aus diesem aus (höhere kinetische Energie nach Energiezufuhr). Die Elektronen wandern gerichtet zum positiven Pol der Elektrode. Ein Strom fließt.