Elektrizitätslehre. Stromkreise. Stoffe. Elektrischer Strom

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1 Elektrizitätslehre 3 Elektrischer Strom Stromkreise Elektrischer Strom Stoffe Elektrischer Strom = kollektive geordnete Wanderung von Ladungsträgern (z.b. Elektronen, Ionen, ) Dieser elektrische Leitungsvorgang hängt ab von: der Art und Anzahl der beweglichen Ladungsträger der Behinderung der Bewegung durch andere Teilchen der Stärke des elektrischen Feldes (der anliegenden Spannung) 3 4

2 Elektrische Stromstärke Elektrischer Strom in Metallen Elektrische Stromstärke (I): Q I t C A (Ampere) s Metallbindung die Elektronen der äußeren Hüllen werden kollektivisiert (= Elektronengas), sie sind beweglich. Durch den Querschnitt A während der Zeitspanne t durchgefließende Ladungsmenge. Technische Stromrichtung Bemerkungen: C = A s die konventionelle (technische) Stromrichtung ist die Bewegungsrichtung der positiven Ladungen! 5 Neben der zufälligen thermischen Bewegung!! Elektrisches Feld Kraftwirkung auf die elektrischen Ladugsträger geordnete Wanderung (Strom) 6 Elektrischer Widerstand Ohmsches Gesetz Metall I Stromstärke Spannung El. Widerstand (): El. Leitwert (G): Auch als I G Bei Metallen: I ~ /I ist konstant. Diese Konstante wird als Widerstand bezeichnet. Einheit : Ohm Ohmsches Gesetz Einheit :Siemens bekannt. V A S 7 Stromstärke (I) Driftgeschwindigkeit (v) el. Feldstärke (E) Spannung () V = nta nt Geschwindigkeit der geordneten Bewegung der Elektronen Bemerkung: Geschwindigkeit der zufälligen thermischen Bewegung ~ km/s Driftgeschwindigkeit ~ mm/s Homogenes Feld Ladungsträgerdichte: Anzahl der Ladungsträgern/Volumen v~e = l I = Q n e V n e v t A = = = n e v A t t t 8

3 I~n e A l = I ~ l n e A = ρ l A Elektrische Leitfähigkeit (s): Spezifischer Widerstand (r) Einheit: m oder mm /m σ = ρ Ωm = S m 9 Einige spezifische Widerstandswerte: Stoff r (mm /m) Silber 0,06 Kupfer 0,07 Gold 0,03 Aluminium 0,08 Eisen 0, Wolfram 0,05 Konstantan 0,5 Gewebe r (. cm) Blut 50 graue Hirnmasse weiße Hirnmasse Haut 000 Fett 500 Knochen 0000 Stoff r (mm /m) Kohlenstoff 35 Dest. Wasser 0 0 Transformatorenöl Porzellan 0 8 Quarzglas 5 0 Symbol in Schaltkreisen: Bemerkung: r von Metallen nimmt mit der Temperatur zu. 0 Einige medizinische Anwendungen: Impedanzplethysmographie (IPG) -Z Elektrische Impedanztomographie (EIT) Aufblasen der Manschette t 3

4 Elektrischer Strom in Flüssigkeiten Ladungsträgern entstehen durch Dissoziation z.b. Elektrischer Strom in Gasen Entstehung von beweglichen Ladungsträgern: Ionisation durch äußere Einwirkungen: Strahlung Wärme Leuchterscheinungen Strahlungsdetektoren Stoßionisation 3 4 Elektrischer Strom im Vakuum Freie Ladungsträger sind aus Metallen ausgelöste Elektronen: Elektrischer Strom in Halbleitern Z. B. Silicium (Si) Anwendung in der öntgenröhre, in der braunschen öhre, siehe Vorlesung! Anwendung in Solarzellen, in Lichtdetektoren, siehe später! 5 Freie Ladungsträger sind Elektronen und Defektelektonen (Löcher)! 6 4

5 Eigenleitung in reinen Halbleitern (Si, Ge, ): Störstellenleitung in dotierten Halbleitern (Z.B. Si(P)): Dotierung: gezielte Einbau von Fremdatomen 7 8 Z.B. Si(B): Elektrische Schaltelemente A Batterie Widerstand Schalter Amperemeter V Spannungsquelle Lampe Kondensator Voltmeter Stromkreis (z.b. Leselampe): 9 0 5

6 Gleichstrom Die kirchhoffschen Gesetze. Kirchhoffsches Gesetz: Knotenregel I >0 I <0 I +I +I 3 +I 4 =0 oder: I 3 >0 I 4 <0 Siehe später! I I I zu Iab I 3 I 4 I +I 3 =I +I 4. Kirchhoffsches Gesetz: Maschenregel Summe der Spannungen in einer Masche ist = 0 B Eine Anwendung der kirchhoffschen Gesetze: 4 6 I 3 3 B 3 B = 0 6 V + I I I V B B I 3 I B I =

7 eihenschaltung von Widerständen Parallelschaltung von Widerständen I I I = I = I I I I I = = I = + I I I I I 5 I = I + I 6 Eine Anwendung: Theorie: Duden 4. Nur Teile: Seiten 38-9, 4, 46, 47, Wenn L wegfällt: L = + echenaufgaben: - Duden Seite 95 Aufgabe 6 Seiten 35-7 Aufgaben, 5 und 6ab - Aufgabenblatt Elektrizitätslehre