In den frühen Experimenten zur Elektrizität wurde bald erkannt, dass manche Stoffe Elektrizität gut weiterleiten, andere hingegen nicht. Die Begriffe elektrischer Leiter und Isolator sind dir sicher bekannt. Wir wollen sie im Rahmen des Teilchenmodells – Atome bestehen aus positivem Atomkern und negativer Elektronenhülle (siehe Physik 5, S. 90) – vertiefen. Damit ein Stoff elektrisch leitend ist, muss er frei bewegliche Ladungsträger (Elektronen, Ionen) enthalten. Feste Körper werden durch elektrische Kräfte zwischen ihren Bestandteilen (Atome, Moleküle, Ionen) zusammengehalten, den Klebstoff bilden Elektronen der Hüllen. Entscheidend für elektrische Leitfähigkeit ist, wie leicht Elektronen ihren Platz für andere Elektronen freigeben können. In Isolatoren sind die Elektronen nicht frei beweglich. Sie haben unterschiedliche Strukturen – sie können Kristalle sein wie der Diamant oder strukturlos wie Glas oder Harz (Bernstein). Im Diamantkristall ist jedes Atom durch je ein gemeinsames Elektronenpaar an jeden seiner vier Nachbarn gebunden. Ein anderes Beispiel für einen Isolator ist Steinsalz (NaCl; 76.1), bei dem die gegenseitige Anziehung der Ionen N a+ und Cl – das Wandern von Ladungsträgern verhindert. Elektrische Leiter besitzen frei bewegliche Ladungsträger, Elektronen oder Ionen. Elektrische Leiter können fest, flüssig oder gasförmig (Plasma) sein. Metalle sind bei normalen Temperaturen feste Körper, nur Quecksilber ist flüssig. Metallatome geben äußere Elektronen ihrer Atomhülle leicht ab und werden dadurch positive Ionen. Die Elektronen können sich durch das gesamte Gitter der Ionen bewegen. Sie sind nicht mehr an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern können sich im Metall frei bewegen: Als „Leitungselektronen“ verteilen sie sich gleichmäßig über den metallischen Körper. Alle Metalle sind hervorragende elektrische Leiter. Bei reinen Halbleitern, wie etwa Silicium oder Germanium, sind die Elektronen fester an die Atome gebunden. Erst wenn Energie z. B. durch die Erhöhung der Temperatur zugeführt wird, werden Elektronen frei beweglich. In technischen Halbleitern wird die Leitfähigkeit durch den Einbau einer kleinen Zahl sog. Fremdatome erreicht, die Elektronen leicht abgeben. Elektrolyte sind Flüssigkeiten, die frei bewegliche Ionen besitzen. Sie leiten elektrische Ladungen ebenfalls sehr gut. Im festen Steinsalz halten Na-Ionen und Cl-Ionen durch Ionenbindung zusammen, in Wasser löst sich die Bindung, positive Na-Ionen und negative Cl-Ionen ermöglichen den Transport von elektrischen Ladungen. Ein Plasma ist ein Gas, das freie Elektronen und positive Ionen enthält. Durch elektrische Kräfte werden vor allem die leichten Elektronen stark beschleunigt. Wenn sie mit Atomen oder Ionen zusammenstoßen, übertragen sie Energie und können das Gas dadurch leuchten lassen. 76.1 Steinsalzkristall. Natrium ist ein Metall und gehört zur ersten Hauptgruppe im Periodensystem. Es gibt leicht sein äußerstes Elektron ab. Chlor gehört zur 7. Hauptgruppe. Es nimmt das von Natrium abgegebene Elektron auf. Positive Natrium-Ionen und negative Chlor-Ionen ziehen einander an. Na -Ion + -Ion – Cl 76.2 Metallbindung. Einige Elektronen bewegen sich frei zwischen den positiven Metallionen. freies Elektron positives Ion 76.3 Im Spielzeug Plasmakugel führen hohe Spannungen zu elektrischen Entladungen mit faszinierenden Leuchterscheinungen. Leiter und Isolatoren Warum werden ungeladene Körper von geladenen angezogen? Das lässt sich mit dem Teilchenmodell verstehen: Nähern wir z. B. einen positiven Glasstab einem neutralen Nichtleiter, dann werden die Elektronen des neutralen Körpers angezogen und um Bruchteile von Atomdurchmessern gegen die Atomkerne verschoben. Dadurch wird der neutrale Körper auf einer Seite geringfügig negativ, auf der anderen Seite geringfügig positiv. Wegen des geringeren Abstands zieht der positive Glasstab die negativen Ladungen stärker an, als die positiven abgestoßen werden, daher ziehen die beiden Körper einander an. „Polare“ Moleküle, wie z. B. Wasser, haben durch ihre Struktur eine positive und eine negative Seite und drehen sich unter dem Einfluss elektrischer Kräfte, wodurch wieder Anziehung auftritt (76.4). Die Verschiebung von Ladungen in einem neutralen Nichtleiter unter dem Einfluss eines geladenen Körpers wird Polarisation genannt. 76.4 Ein geladener Kamm zieht einen Wasserstrahl an. Polarisation von neutralen Körpern 76 E-Lehre 1 Ladung und Spannung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MTA2NTcyMQ==