Skript zur Vorlesung Physik Teil 1 (Sommersemester) und Teil 2 ...

Skript zur Vorlesung Physik 1 und Physik 2 Seite 147
Prof. Dr. P. Kaul, Fachbereich Biologie Chemie und Werkstofftechnik,
Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg
Bei atomistischen Vorgängen werden oftmals Ladungsträger betrachtet, die gerade die Elementarladung
tragen. Bei diesen Betrachtungen wird eine Umrechnung der Energie dieser Ladungsträger in eine günstige-
re Einheit vorgenommen: Durchläuft ein Elektron eine Spannungsdifferenz von einem Volt, so erhöht (oder
erniedrigt) es seine potentielle Energie gerade um 1 Elektronenvolt:
Mit U = 1 V, Q = 1,602 10 -19 C wird
ΔE
pot
⇒ 1 eV =
= U⋅
Q =
1,
602 ⋅10
⇒ 1 J = 6,
242⋅10
1,
602 ⋅10
18
−19
J
eV
−19
VC =
7.3.2 Elektronenleitung in Leitern
1,
602 ⋅10
−19
J = 1 eV
Ein elektrischer Strom in einem Leiter entsteht durch die Bewegung von freien Ladungsträgern des Leiters.
Hierzu ist eine Spannung notwendig, die über dem Leiter eine Potentialdifferenz aufrecht erhält. Diese
Spannung wird von einer Spannungsquelle erzeugt. Die Energie, die zur Aufrechterhaltung der Spannung
notwendig ist, wird durch Umwandlung anderer Energieformen erreicht:
Chemisch: Galvanische Elemente
Mechanisch: Generatoren
Lichtenergie: Solarzellen
Q vd
Eine Stromstärke von 1A wird erreicht, wenn durch
den Leiterquerschnitt pro Sekunde eine Ladung von
C
1 C fließt: 1 A = 1
s
Technische Stromrichtung: von positiver Span-
nung zu negativer Spannung. Die Ladungsträger
werden dabei als positiv geladen angenommen. Elektronen in einem metallischen Draht bewegen sich da-
her in der entgegengesetzten Richtung.
Elektronenbewegung:
A
Der Strom berechnet sich aus der Anzahl der Ladungen, die pro Zeiteinheit durch die Querschnittsfläche A
hindurchdriften. Die Dichte der beweglichen Ladungsträger im Leiter betrage n.
Ladungsträger in Metallen vollziehen eine sehr hohe thermische Bewegung, die durch Stöße der Elektronen
mit dem Kristallgitter jedoch ständig gebremst wird. Die thermische Bewegung ist völlig ungeordnet, d.h. es
gibt keine Vorzugsrichtung der Bewegung. Wird eine äußere Spannung angelegt, so werden die Ladungs-
träger zusätzlich entgegen der Spannungsdifferenz beschleunigt (entgegen, da negativ geladen). Im Mittel
bewegen sich die Elektronen demnach mit einer kleineren Driftgeschwindigkeit vd, da sie nach jedem Stoß
mit dem Gitter erneut beschleunigt werden müssen.
In einer Zeit Δ t legt eine Ladung somit eine Strecke s v d t Δ ⋅ = Δ zurück.