3. Stromtransport in Gasen i) Erzeugung von Ladungsträgern ii) Unselbständige Entladung iii) Selbständige Entladung

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1 Netz Hochspannung Elektrische Leitung 1. Leitungsmechanismen Bändermodell 2. Ladungstransport in Festkörpern i) Temperaturabhängigkeit Leiter ii) Eigen- und Fremdleitung in Halbleitern iii) Stromtransport in Isolatoren iv) Fotoleiter 3. Stromtransport in Gasen i) Erzeugung von Ladungsträgern ii) Unselbständige Entladung iii) Selbständige Entladung 4. Stromtransport in Flüssigkeiten i) Ionenleitung in Flüssigkeiten ii) Faradaysche Gesetze iii) Elektrolyse und weiter Anwendungen Ladungstransport in Gasen Spannung an Plattenkondensator Es fließt kein Strom durch die Luft, Luft ist ein guter Isolator oder schlechter Leiter Im Tisch E eingebaut CFC-N Koaxial - Kabel 10-7 A Input kv kv 0 16 kv Output Tisch E F1 Tisch F E1 Röntgenkugel PM ,00 V Gerät 4; im Tisch F eingebaut Kerze bzw. Röntgenstrahlung lösen Stromfluss aus 1

2 Ladungstransport in Gasen Woher kommen die freien Ladungsträger in der Luft, bzw. einem Gas? Gasatome müssen in Ionen und Elektronen aufgespaltet werden (Ionisation): Gemisch von Ionen und Elektronen Plasma Zufuhr von Energie zur Ablösung eines Elektrons Ionisationsmechanismen: Photoionisation Stoßionisation Temperaturionisation Radioaktivität Glühemission (nur Elektronen treten aus Metallflächen bei hoher Temperatur aus) Aber: Ionen und Elektronen können auch wieder rekombinieren E E Leitungsband hν Photoionisation Photoleiter: Elektron wird vom Valenz- ins Leitungsband angehoben wenn hν > E und trägt so zur Leitfähigkeit bei hν Valenzband Photoionisation Elektron wird Energie hν zugeführt hν> W ion Wenn hν > Ionisierungsenergie W ion ein positiv geladenes Atom (Ion) negativ geladenes freies Elektron (hat mit Atom nichts mehr zu tun) Ion und Elektron tragen zu Strom bei Wenn hν < W ion kein Ion, angeregtes Atom hν < W ion kein Beitrag zu Strom Röntgenstrahlung hν~30kev >> W ion ~1..30eV 2

3 Ionisationsenergie Ionisationsenergie ist elementspezifisch bestimmt durch Schalenaufbau der Atomhülle Stoßionisation W kin Atom Atom + bzw. Ion Ladungsträger (Elektronen, Ionen) werden im Feld beschleunigt Inelastischer Stoß mit Neutralteilchen Elektronen werden herausgeschlagen (W kin > W ion ) Atom wird ionisiert 3

4 Temperaturionisation Bei hohen Temperaturen (hohe Geschwindigkeit) genug kinetische Energie um bei Zusammenstoß zu ionisieren K K Ionisatíonsgrad von Gasen in Abhängigkeit von der Temperatur T = 5000K Oberfläche der Sonne 10-4 ter Teil von H-Atomen ionisiert Kerze in Plattenko: Temperatur zu niedrig, aber Ionen in Flamme Ladungstransport in Gasen Atome werden durch äußere Einwirkungen ionisiert Leitung erfolgt durch Ionen bzw. freie Elektronen Strom = Anzahl x Ladung x Beweglichkeit x E-feld x Fläche I = n z e µ E A Beweglichkeit [cm 2 /Vs] Na Na O Ionen im Wasser 10-4 Elektronen im Halbleiter 10 3 Elektronen im Metall 10 Festkörper > Beweglichkeit Gas >> Flüssigkeit Strom aber so gering, weil n sehr klein 4

5 Unselbständige Gasentladung Ladungsträger für Stromfluss in Gas durch äussere Einwirkung erzeugt A U z. B. Einfallende ionisiernde Strahlung (N Photonen) erzeugt N p Ladungsträger Anode Kathode Ionisation Spannung wird angelegt und verändert Was passiert? Wie ändert sich der Strom mit der Spannung? Spannungsabhängigkeit Ladungen werden im E-Feld zu Elektroden beschleunigt Ohmscher Bereich -Rekombinationsbereich: niedere Spannung: kleine Beschleunigung Ladungsträger langsam, viele rekombinieren bevor sie zur Leitung beitragen Sättigungsbereich: Beschleunigung stärker, alle erzeugten Ladungsträger tragen zu Leitung bei N/N p 1 Ohmscher Bereich Was passiert bei noch höheren Spannungen? N/N p > 1 mehr Ladungsträger gemessen als erzeugt 5

6 Ionsationskammer Messung der Stärke einer ionisierenden Strahlung Im Sättigungsbereich gilt für den Strom I I Anzahl der erzeugten Ladungsträger N p = Anzahl der ionisierenden Partikel Gasentladung Was passiert im Auslösebereich bei hohen Spannungen? Spannung ist sehr groß, Elektronen werden stark beschleunigt hohe Elektronenenergie Stoßionisation: Lawineneffekt Strom wird unabhängig von Zahl der durch Ionisation generierten Ladungsträger 6

7 Geiger-Müller Zählrohr Metallrohr mit Gas gefüllt Ladungsträgergeneration durch ionisierende Teilchen Feldstärke im Bereich des Drahtes hoch: Stoßionisaton Lawinendurchbruch Stromimpuls Lautsprecher Stromimpuls unabhängig von der Art der Ionisation Einmal Tick ein ionsierendes Teilchen, oftmals Tick viele Selbständige Gasentladung Gasentladung kann ohne äussere Einwirkungen selbst unterhalten werden, keine externe Ionisierungsquelle, thermische Quelle,... Jeder Ladungsträger sorgt für seinen eigenen Ersatz Wie machen sie das? Ionen prallen auf Kathode und schlagen Elektronen heraus Energetische Elektronen ionisieren Neutralteilchen durch Stoßionisation Voraussetzung Teilchen müssen hohe kinetische Energie haben d.h. sie müssen schnell sein d.h. sie müssen durch hohe Spannung beschleunigt werden 7

8 A G B Kennlinie der Gasentladung U S Sättigung C E F D U C U Z kritisch Zünd U Unselbständige Entladung A: Linearer Bereich Ohmsches Gesetz Gleichgewicht Erzeugung / Rekombination B: Rekombinationsbereich C: Sättigungsbereich alle Ladungsträger fließen ab C D: Stoßionisation setzt ein D: Zündpunkt für selbständige Entladung E kin (zwischen Stößen) > E Ionisation jede Ladung sorgt für eigenen Ersatz E: Glimmentladung ( bei sehr kleinem Druck ) F: Raumladungseffekte werden wichtig Raumladung Abschirmung G: Bogenentladung ( bei großem Druck ) großer Strom glühende Elektroden Glühemission von Elektronen Licht bei der Entladung hν Elektron und Ion rekombinieren Photon wird emittiert: Umgekehrter Prozess zu Photoionisation hν hängt von Atom und Anfangsbedingung ab Angeregte Zustände (Stoßanregung) geben Anregungsenergie ab: Emission eines Photons hν hν = E (atomspezifisch) hν 8

9 Gasdruckabhängigkeit Experiment: Hoher Druck kein Stromfluss mittlerer Druck Stromfluss mit Leuchten kleiner Druck kein Stromfluss Erinnerung: Druck in einem Gas, Maß für Anzahl der Teilchen pro Volumseinheit Stoßionisation Teilchen muss eine Mindestgeschwindigkeit v haben v = Beschleunigung x Zeit = a T = Kraft/Masse x Zeit= F/m T = Feldstärke Ladung x Zeit/Masse = e E T /m e, m Konstante E: angelegte Spannung durch Länge der Röhre Aber was ist T? T Zeit zwischen zwei Kollisionen: groß wenn wenig Teilchen, klein bei vielen Teilchen Druckabhängigkeit Hoher Druck: viele Stöße, kleine v kein selbständige Entladung Mittlerer Druck: v gut, genug Teilchen Kleiner Druck: hohe v, aber keine Stöße mehr, weil keine Teilchen Zündspannung als Funktion des Drucks (Paschenkurve) 9

10 Glimmentladung Stromfluss in Gasröhre: Leuchten Glimmentladung Zonen unterschiedlicher Helligkeit Erklärung kompliziert größter Teil positive Säule: gleichmäßig diffuses Licht Leuchtstoffröhre Leuchtstofflampe gefüllt mit Quecksilberdampf Glimmentladung Quecksilber emittiert hauptsächlich im UV Umwandlung in sichtbares Licht in Beschichtung (Phosphor) 10

11 Neonröhren Neonröhren sind reine Entladungslampen Zum Betrieb ist Hochspannung notwendig V!! Füllgas Leuchtfarbe Neon rot Argon gelb, grün, blau Bogenentladungen Treten bei hohen Drücken und hohen Strömen auf Strom erwärmt Elektroden, dass Elektronen austreten Ladungsträger müssen nicht mehr durch Ionsation erzeugt werden Kohlenbogenentladung Intensive Lichtquelle für Projektoren Elektroschweissen 11

12 Kurzzeitige Bogenentladungen Funkenentladungen Blitzlicht Energie in Kondensator beschränkt Entladung in Gasröhre Selbständige Gasentladung bis Energie aufgebraucht Stromtransport in Gasen Damit in einem Gas ein Strom fließen kann müssen Ladungsträger durch Ionisation erzeugt werden Ionisation erfolgt über ionisierende Strahlung, Stoßionisation oder thermische Ionsiation Werden Ladungsträger erzeugt so kommt es zur unselbständigen Gasentladung, dh zur Aufrechterhaltung ist eine externe Ionisation notwendig Unselbständige Gasentladung wird zur Detektion und Charakterisierung von ionisierender (radioaktiver) Strahlung eingesetzt, zb Geiger Müller Zählrohr Selbständige Gasentladung läuft ohne äussere Einwirkungen ab, erfordert aber eine höhere Spannung und definierte Druckverhältnisse Bei unselbständigen Gasentladung Leuchterscheinungen durch Relaxation von angeregten Zuständen und Rekombination Glimmentladung bei moderaten Drücken und Spannungen Bogenentladung und Funkenentladungen bei hohen Drücken und Strömen 12