Elektrizität und Magnetismus - Physik-Institut - Universität Zürich

wird also bei konstanter Stromstärke die Masse m = nµt = I
νe µt
abgeschieden. Mit
µ = Molmasse M folgt m = I M t = I M
[ ] Cb
N ◦ νeN ◦ νF t, F = N ◦e = 96 484.56 .
Mol
F , die Faradayzahl, ist die Ladung eines Mols einwertiger Ionen, aus einem gemessenen
F kann N ◦ bestimmt werden. Elektrolytische Leitung tritt auch bei pseudofesten Körpern
wie Glas ein, erhitztes Glas leitet gut.
3.2.4 Leitung in Gasen
Gase nicht zu hoher Temperatur bestehen aus neutralen Atomen oder Molekülen und sind
damit gute Isolatoren. Werden von aussen Ladungsträger in das Gas gebracht, z.B. durch
Photoemission an Elektroden oder wird das Gas durch Strahlung ionisiert, dann wird
es zum Leiter. Ein angelegtes elektrisches Feld erzeugt einen Strom. Da die Ladungen
✛
✓ d ✲
✏ durch äussere Einwirkungen entstanden sind und die Entladung
I
✻
✒
I
♠
✒
V
✑
nicht von selbst einsetzt, spricht man von einer unselbständigen
Entladung. Bei genügend hoher Spannung, so dass alle Ionen zu
den Elektroden gelangen, wird der Sättigungsstrom erreicht. Ein
kleiner Teil der primär gebildeten Ionen können durch Rekombination
zu neutralen Molekülen umgewandelt werden.
Bei niedrigem Gasdruck (Luft 0.1 Atm) wird die mittlere freie
Weglänge der Gasatome und Ionen grösser und die Ionen werden
auf so hohe Energien beschleunigt, dass sie beim inelastischen
Zusammenstoss neutrale Moleküle ionisieren können und
es entstehen neue Ionen und freie Elektronen, die wiederum ionisieren.
Durch diese Stossionisation entsteht eine selbständige
Entladung, bei der der Strom im wesentlichen durch die
✟
✲ V
V Zünd.
Stossionisation aufrecht erhalten wird. Bei niedrigen Drucken spricht man auch von Glimmentladung
mit der skizzierten Strom-Spannungs-Charakteristik.
Damit eine selbständige Entladung einsetzen kann, muss eine minimale Zündspannung V Z
vorhanden sein, die vom Gasdruck p und Elektrodenabstand d abhängt. Die von den ionisierenden
Elektronen und Ionen zurückgelegte freie Weglänge ¯l ist umgekehrt proportional zu p, d.h.
¯l ∝ 1/p. Man unterscheidet zwei Grenzfälle:
1. Ist ¯l ≪ d, so müssen die Elektronen zwischen zwei Zusammenstössen mit Gasatomen
genügend Energie erhalten, um ionisieren zu können, d.h. eE¯l = e V Z
d
¯l > eVion , mit V ion
der nötigen Spannung zur Ionisation. Die vom Elektron gewonnene Energie eE¯l wird
vollständig ans Gasmolekül abgegeben, also V Z ∝ d/l ∝ pd.
2. Ist ¯l ≫ d und V ≥ V ion , so erhalten die Elektronen genügend Energie eV , um ionisieren zu
können. Die Wahrscheinlichkeit mit einem Gasmolekül zusammenzustossen, ist proportional
zur Dichte der Teilchen und dem vorhandenen Volumen zwischen den Elektroden, also
∝ pd. Je kleiner die Wahrscheinlichkeit einer Kollision, um so grösser muss V Z werden:
V Z ∝ 1
pd . V Z(pd) erreicht ein Minimum bei (pd) ◦ (Gesetz von Paschen).
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