Leiter und Isolator



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strom
Nez 1, referat 4990, Nez 1, TT-A, TT-A, page 32-38, 2 Эл цепи постоянного тока Автосохраненный, L F N9, MOVZU-1, Elek-Dov-Nez-Cavablar-AZ, TT-A, 2.Эл. цепи постоянного тока [Автосохраненный], informasiya anlay. son, Nez 1

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:
  • Ik>0 für Strom aus dem Knoten
  • Ik<0 für Strom in den Knoten
  • Elektrische Masche:
  • Uk>0 für den Spannungsabfall über einem Widerstand, Spannungsquelle von + nach – Pol.
  • Uk<0 für Spannungsquelle von – nach + Pol

Kombination von Widerständen

  • Reihenschaltung:
  • Parallelschaltung:

Elektrischer Strom im Vakuum

  • 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.

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

  • 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.
  • 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!

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