Der elektrische Leitungsvorgang in Gasen und im ... - Sandphysik.de
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<strong>Der</strong> <strong>elektrische</strong> <strong>Leitungsvorgang</strong> <strong>in</strong> <strong>Gasen</strong> <strong>und</strong> <strong>im</strong> Vakuum<br />
Gase s<strong>in</strong>d unter Normalbed<strong>in</strong>gungen (normaler Druck, normale Temperatur, ger<strong>in</strong>ge<br />
<strong>elektrische</strong> Feldstärke) Isolatoren; die Gasmoleküle bzw. die Atome <strong>de</strong>r E<strong>de</strong>lgase s<strong>in</strong>d<br />
elektrisch neutral <strong>und</strong> können nicht zur Stromleitung beitragen. Um e<strong>in</strong> Gas leitend zu<br />
machen, müssen <strong>in</strong> ihm Ladungsträger erzeugt wer<strong>de</strong>n. Dies kann auf verschie<strong>de</strong>ne Weise<br />
geschehen.<br />
Man unterschei<strong>de</strong>t zwischen e<strong>in</strong>er unselbständigen <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er selbständigen<br />
Elektrizitätsleitung <strong>in</strong> <strong>Gasen</strong>.<br />
Bei <strong>de</strong>r unselbständigen Entladung wer<strong>de</strong>n die erfor<strong>de</strong>rlichen Ladungsträger durch äußere<br />
E<strong>in</strong>wirkungen erzeugt, die mit <strong>de</strong>m Transport <strong>de</strong>r erzeugten Ladungsträger nichts zu tun<br />
haben. Es wer<strong>de</strong>n die dann nur vorhan<strong>de</strong>nen Ionen <strong>und</strong> Elektronen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em <strong>elektrische</strong>n Feld<br />
nur beschleunigt.<br />
Es gibt aber auch Vorgänge <strong>in</strong> <strong>Gasen</strong>, bei <strong>de</strong>nen durch die Bewegung <strong>im</strong> <strong>elektrische</strong>n Feld<br />
selbst erst die Ionen <strong>und</strong> Elektronen gebil<strong>de</strong>t <strong>und</strong> beschleunigt wer<strong>de</strong>n. Man spricht dann von<br />
<strong>de</strong>r selbständigen Elektrizitätsleitung.<br />
Die unselbständige Elektrizitätsleitung <strong>in</strong> <strong>Gasen</strong><br />
Hierbei wer<strong>de</strong>n Ladungsträger durch thermische Ionisation <strong>und</strong> durch Stoßionisation<br />
freigesetzt.<br />
Unter thermischer Ionisation e<strong>in</strong>es Gases versteht man <strong>de</strong>n Prozess <strong>de</strong>r Abtrennung e<strong>in</strong>es<br />
Elektrons aus <strong>de</strong>m Atom bzw. Molekül, <strong>in</strong><strong>de</strong>m man <strong>de</strong>m Gas Wärme zuführt.<br />
Dabei entsteht e<strong>in</strong> positiv gela<strong>de</strong>nes Ion <strong>und</strong> e<strong>in</strong> Elektron.<br />
Unter Stoßionisation versteht man die Ionisation von Gasteilchen durch <strong>de</strong>ren<br />
Zusammenstoß mit schnell bewegten Elektronen o<strong>de</strong>r an<strong>de</strong>ren Gasteilchen.<br />
Die entstehen<strong>de</strong>n Ionen <strong>und</strong> Elektronen wer<strong>de</strong>n durch e<strong>in</strong> <strong>elektrische</strong>s Feld beschleunigt,<br />
wodurch es zu e<strong>in</strong>er law<strong>in</strong>enartig anwachsen<strong>de</strong>n Zahl von Stoßprozessen kommt. Dabei<br />
entstehen positive Ionen <strong>und</strong> freie Elektronen.<br />
Um Atome o<strong>de</strong>r Moleküle zu ionisieren, muss e<strong>in</strong>e vom Gas abhängige Ionisierungsenergie<br />
aufgebracht wer<strong>de</strong>n.<br />
Die Energiezufuhr kann durch starke <strong>elektrische</strong> Fel<strong>de</strong>r, durch radioaktive Strahlung o<strong>de</strong>r<br />
durch entsprechen<strong>de</strong> Wärmeenergie erfolgen.<br />
Die selbständige Elektrizitätsleitung <strong>in</strong> <strong>Gasen</strong><br />
Auch <strong>in</strong> <strong>de</strong>r Luft s<strong>in</strong>d <strong>im</strong>mer e<strong>in</strong>ige, z.B. durch Höhenstrahlung erzeugte Ladungsträger<br />
vorhan<strong>de</strong>n. Unter <strong>de</strong>m E<strong>in</strong>fluss e<strong>in</strong>es <strong>elektrische</strong>n Fel<strong>de</strong>s erreichen diese Ionen <strong>und</strong><br />
Elektronen nur e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge Geschw<strong>in</strong>digkeit, <strong>de</strong>nn sie wer<strong>de</strong>n schon nach kurzen<br />
Wegstrecken mit Luftmolekülen elastisch zusammenstoßen, ohne diese zu ionisieren. Es<br />
kommt also nicht <strong>im</strong>mer zur Stoßionisation, da die Ladungsträger dazu e<strong>in</strong>e best<strong>im</strong>mte<br />
k<strong>in</strong>etische Energie benötigen, die sie be<strong>im</strong> Durchlaufen <strong>de</strong>s <strong>elektrische</strong>n Fel<strong>de</strong>s aufnehmen<br />
müssen. Diese Ionisationsenergie beträgt z.B. für Helium 24,6eV.<br />
In e<strong>in</strong>em <strong>elektrische</strong>n Feld <strong>de</strong>r Stärke E erhält e<strong>in</strong> Elektron be<strong>im</strong> Durchlaufen e<strong>in</strong>er<br />
Beschleunigungsstrecke s die Energie E k<strong>in</strong><br />
eU<br />
e<br />
E s . Als Beschleunigungsstrecke s<br />
steht die freie Weglänge l zwischen <strong>de</strong>n Molekülen zur Verfügung.<br />
Das ist die Strecke, die e<strong>in</strong> Elektron zwischen zwei Stößen durchschnittlich zurücklegt. Das<br />
Elektron erhält somit die Energie E k<strong>in</strong><br />
e E l<br />
.<br />
Bei normalen Luftdruck s<strong>in</strong>d die Gasmoleküle so dicht gedrängt, so dass die mittlere freie<br />
8<br />
Weglänge zwischen <strong>de</strong>n Molekülen sehr kle<strong>in</strong> ist ( ca.5 10 m).
Wir können nun auf zweierlei Wegen erreichen, dass die Ionen die zur Stoßionisation nötige<br />
Energie E k<strong>in</strong><br />
e E l<br />
erhalten; entwe<strong>de</strong>r erhöhen wir die Feldstärke, o<strong>de</strong>r wir versuchen, die<br />
mittlere freie Weglänge zu vergrößern, <strong>in</strong><strong>de</strong>m das Gas verdünnt wird, d.h. <strong>de</strong>r Gasdruck wird<br />
verr<strong>in</strong>gert.<br />
Im ersten Fall ist es dann auch bei normalem Druck möglich, e<strong>in</strong>en Stromfluss durch das Gas<br />
aufrecht zu erhalten. Die bei <strong>de</strong>r Stoßionisation entstehen<strong>de</strong>n positiven Ionen wer<strong>de</strong>n durch<br />
das <strong>elektrische</strong> Feld so beschleunigt, dass sie be<strong>im</strong> Aufprall auf die Katho<strong>de</strong> zusätzliche<br />
Elektronen auslösen. Die dafür benötigte Energie stammt sowohl aus <strong>de</strong>r k<strong>in</strong>etischen Energie<br />
<strong>de</strong>r Ionen als auch aus <strong>de</strong>r Energie, die bei <strong>de</strong>r Neutralisation <strong>de</strong>r Ionen frei wird.<br />
Technisch genutzt wird diese Art <strong>de</strong>r Elektrizitätsleitung <strong>in</strong> Hochdruckdampflampen.<br />
Bei <strong>de</strong>r selbständigen Elektrizitätsleitung <strong>in</strong> <strong>Gasen</strong> wer<strong>de</strong>n die beweglichen Ladungsträger<br />
be<strong>im</strong> <strong>Leitungsvorgang</strong> selbst erzeugt. Schnelle Elektronen bewirken Stoßionisation an<br />
neutralen Molekülen. Ionen lösen be<strong>im</strong> Aufprall auf die Katho<strong>de</strong> Elektronen aus ihr<br />
heraus.<br />
E<strong>in</strong> Gas wird bei verm<strong>in</strong><strong>de</strong>rten Druck elektrisch leitend, wenn die Entstehung e<strong>in</strong>er<br />
Ladungsträgerlaw<strong>in</strong>e erreicht wer<strong>de</strong>n kann. Die Stromleitung setzt als selbständige<br />
Entladung plötzlich e<strong>in</strong>. Ladungsträger s<strong>in</strong>d Ionen <strong>und</strong> Elektronen.