1 Elektrische Leitungsvorgänge

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2 1 lektrische Leitungsvorgänge 1.1 lektrische Leitung in festen Körpern Seite 1

3 Seite 2

4 Antwort zu 1.): Antwort zu 2.): Antwort zu 3.): Antwort zu 4.): Antwort zu 5.): Seite 3

5 1.2 lektrische Leitung in Flüssigkeiten ntsprechend dem allgemeinen Leitungsmodell müssen für einen elektrischen Leitungsvorgang zwei Voraussetzungen erfüllt sein: Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges in Flüssigkeiten ist dadurch gekennzeichnet, dass Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten können überall dort auftreten, wo sich Ionen in einer Flüssigkeit befinden. Das ist z.. auch bei Mineralwasser oder Leitungswasser der Fall. Deshalb: Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten werden z.. bei der lektrolyse, beim Galvanisieren oder beim Lackieren von Autoteilen genutzt. Seite 4

6 Als Dissoziation bezeichnet man die Aufspaltung von Molekülen in kleinere estandteile. 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 eispiel die Dissoziation von Kochsalzkristallen in Wasser näher betrachtet. Im Kristallgefüge werden die einzelnen Natrium- und hlorionen durch die gegenseitige elektrostatische Anziehung an ihrem Platz gehalten. Dabei sind die Natriumionen positiv und die hlorionen 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 igenschaft: In den Wassermolekülen sind die Wasserstoffatome und die Sauerstoffatome mit ihren gemeinsamen indungselektronen 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 hlorionen 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. Seite 5

7 Nal Nal (Kochsalz) wird in H 2 O (Wasser) aufgelöst. HO 2 Na l HO 2 Na l l Na l Na l Na HO 2 Na l l Na A l Na l 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 Na l Na l Na l HO l Na 2 H H NaOH NaOH l Na A l l An der Anode (Pluspol) angekommen, gibt das negative l - - Ion sein lektron an die Anode ab. Gleichzeitig reagiert das positve Na - Ion mit H 2 O, so dass H und NaOH entsteht. An der Katode (Minuspol) nimmt das positive H - Ion ein lektron auf. HO 2 l Na H 2 NaOH NaOH l Na A l 2 Das lektron, das an der Anode von dem l - - 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 lektron dann von dem H - Ion aufgenommen wird. HO l Na 2 Seite 6

8 1.3 lektrische Leitung in Halbleitern igenleitung Seite 7

9 1.3.2 Fremdleitung Seite 8

10 2 Die Halbleiterdiode 2.1 Aufbau und Funktion der Halbleiterdiode ereits im Herstellungsprozess der Diode rekombinieren im Grenzbereich von n-schicht und p- Schicht kurzzeitig freie lektronen 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. Seite 9

11 Der Pluspol der Stromquelle saugt einige lektronen aus der n-schicht ab und der Minuspol der Stromquelle presst gleichzeitig einige lektronen 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. Seite 10

12 Der Pluspol der Stromquelle saugt lektronen aus der Sperrschicht ab, der Minuspol presst lektronen in die n-schicht. Ab der Durchbruchspannung (Schwellenwert) von ca. 0,7 Volt ist die Sperrschicht vollständig aufgelöst. lektronen 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. Seite 11

13 2.2 Die Diode als inweg-gleichrichter Seite 12

14 2.3 Die Diode als Zweiweg-Gleichrichter Seite 13

15 3 Der Transistor 3.1 Aufbau und Funktion des Transistors Steuerstromkreis: Da der Schalter S geöffnet ist, fließt im Steuerstromkreis (zwischen und ) kein Strom. (Die -Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.) Laststromkreis: Im Laststromkreis (zwischen, und fließt ebenfalls kein Strom, da die obere -Diode in Sperr-Richtung geschaltet ist. Die Lampe L leuchtet folglich nicht. Seite 14

16 Steuerstromkreis: Da der Schalter S geschlossen ist, fließt im Steuerstromkreis (zwischen und ) ein Strom, der vom Schutzwiderstand R begrenzt wird (die -Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.) Transistoreffekt: Laststromkreis: Im Laststromkreis (zwischen, und ) leuchtet die Lampe L auf und deutet darauf hin, dass in diesem Stromkreis ebenfalls ein Strom fließt, obwohl die obere - Diode in Sperr-Richtung geschaltet ist. Dieses zunächst unerwartete Verhalten nennt man den Transistoreffekt. Die mittlere asisschicht des Transistors ist extrem dünn gebaut. rreicht der mitter-asis-lektronen-strom (in der Skizze grün gezeichnet), der vom Minuspol von SQ 1 zum Pluspol von SQ 1 fließt, eine gewisse Stärke, so reißen diese lektronen weitere lektronen vom Minuspol von SQ 2 mit (in der Skizze magenta gezeichnet), die die obere Sperrschicht durchdringen und über den Kollektor zum Pluspol von SQ 2 fliessen. Seite 15

17 3.2 Der Transistor als Schalter L T Ug = 9V U = 0..1V U S teuerspannung U 0V 0,1 V - 0,6 V 0,7 V - 1 V Transisto ransistor r I Arbeitskrei s Lamp ampe Der Transistor ist im mit der Glühlampe in Serie geschaltet. Merksatz: Seite 16

18 L U 1 T Ug = 9V U 2 U U 1 U 2 U Transisto r I Arbeitskrei s Lamp ampe Merksatz: Seite 17

19 3.2.1 Hellsteuerung mit Transistor Schaltskizze: L U 1 T U g 9V U 2 U R1 : Photowiderstand R2 : regelbarer Widerstand 10 kω L : Glühlampe 4V / 0,04A T : npn - Transistor Funktion: Aufbau: Wird der Photowiderstand im beleuchtet, so leuchtet im die Lampe. Wird der Photowiderstand im nicht beleuchtet, so leuchtet im die Lampe nicht. Die Schaltung besteht aus 2 zueinander parallelen Spannungsteilern: 1. Spannungsteiler (): Lampe und Transistor 2. Spannungsteiler (): Photowiderstand und Drehwiderstand ei verdunkeltem Photowiderstand wird der Drehwiderstand so eingestellt, daß der Transistor den sperrt und die Lampe nicht brennt. U2 < 0,7 V. Seite 18

20 rklärung: U1 = 8,5V T sperrt L leuchtet nicht Ug = 9V U2 = 0,5V U = 0,5V 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 U 2 = 0,5 V liegt. Da asis und mitter des Transistors parallel zum Drehwiderstand geschaltet sind, liegt zwischen asis und mitter eine Spannung U = 0,5 V. Der Transistor sperrt den Arbeitsstromkreis. Die Lampe im leuchtet nicht. L leuchtet U1 = 8,1V T öffnet Ug = 9V U2 = 0,9V U = 0,9V ) eleuchtung Wird der Photowiderstand beleuchtet, so sinkt sein Widerstandswert. Da der Drehwiderstand nicht verändert wird, ist unverändert. Das Verhältnis der Widerstandswerte hat sich verändert, daher verändern sich die Teilspannungen U 1 und U 2. U 1 wird kleiner, dadurch wird U 2 > 0,7 V. Zwischen asis und mitter des Transistors liegt eine Spannung U > 0,7 V. Der Transistor gibt den frei. Die Lampe im leuchtet. Seite 19

21 3.2.2 Dunkelsteuerung mit Transistor Schaltskizze: L U 1 T Ug = 9V U2 U Funktion: R : regelbarer Widerstand10 kω 1 R : Photowiderstand 2 L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn Transistor Aufbau: Seite 20

22 rklärung: Ug = 9V A) Ug = 9V ) Seite 21

23 3.2.3 Feuermelder mit Transistor Schaltskizze: ϑ L U 1 T U g 9V U 2 U Funktion: R : NT Widerstand 1 R : regelbarer Widerstand10 kω 2 L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn Transistor Aufbau: Seite 22

24 rklärung: ϑ U g 9V A) ϑ U g 9V ) Seite 23

25 3.2.4 Frostmelder mit Transistor Schaltskizze: L U 1 T U g 9V ϑ U 2 U Funktion: R : regelbarer Widerstand10 kω 1 R : NT Widerstand 2 L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn Transistor Aufbau: Seite 24

26 rklärung: U g 9V ϑ A) U g 9V ϑ ) Seite 25

27 3.2.5 Feuchtigkeitsmelder mit Transistor Schaltskizze: L U 1 T U g 9V U 2 U Funktion: R : erührungs Sensor 1 R : regelbarer Widerstand10 kω 2 L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn Transistor Aufbau: Seite 26

28 rklärung: U g 9V A) U g 9V ) Seite 27

29 3.2.6 Trockenmelder mit Transistor Schaltskizze: L U 1 T U g 9V U 2 U Funktion: R : regelbarer Widerstand10 kω 1 R : erührungs Sensor 2 L : Glühlampe 4 V/0,04 A T : npn Transistor Aufbau: Seite 28

30 rklärung: U g 9V A) U g 9V ) Seite 29