Grundlagen der Stromversorgung für spartenfremde Fachkräfte

Grundlagen der Elektrotechnik
Seite 2
In einem Atom müssen jedoch nicht alle Schalen besetzt sein. Bei einem
Aluminiumatom z. B. besteht der Kern aus 13 Protonen und 14 Neutronen. Um den
Kern kreisen auf drei verschiedenen Schalen (K, L und M) 13 Elektronen. Dabei ist
die K- und L-Schale vollständig besetzt, die M-Schale jedoch nicht. Das Atom hat
jedoch das Bestreben, einen stabilen Zustand zu erreichen. Dieser ist erreicht, wenn
sich auf der äußeren Schale acht Elektronen befinden. Wenn dies nicht der Fall ist,
werden Elektronen in diese äußere Schale aufgenommen oder abgegeben.
Wäre es möglich, aus den Atomen den leeren Raum herauszunehmen und die
Elektronen eng an den Kern zu legen, hätte ein Hochhaus die Größe eines
Kaffeebohne und diese würde 30 000 t wiegen.
Metalle bilden nun im festen Zustand Kristalle, in denen sich die Atome an festen
Plätzen in einer räumlichen Anordnung befinden (Vergleich: in einem Flugzeug hat
jeder Passagier seinen vorgeschriebenen Sitzplatz, es existiert eine Sitzordnung). Ist
ein derart kristalliner Aufbau nicht vorhanden, nennt man einen Stoff amorph. Hier
unterliegen die Atome keinem Ordnungsschema (Vergleich: in einem Bus kann sich
jeder Fahrgast hinsetzen, wo er möchte). Amorph sind alle Flüssigkeiten, Glas und
zum Teil auch Kunststoffe. Bei einem kristallinen Aufbau können nun Metallatome
leicht Elektronen abgeben, bilden also Ionen (das sind positiv oder negativ
aufgeladene Atome oder Moleküle). Durch die freien Elektronen entsteht ein
sogenanntes Elektronengas, in dem die Elektronen frei beweglich sind. Durch
Anlegen eines elektrischen Feldes (=Kräfte) werden die Elektronen
(Valenzelektronen) bewegt, es kommt zum Ladungstransport im Leiter und damit
zum elektrischen Strom. Nach außen hin bleibt der Stoff elektrisch neutral, weil die
Elektronen aufgrund der elektrostatischen Anziehung (ungleichnamige Ladungen
ziehen sich an) nicht aus dem Metall entweichen können, sondern nur zwischen den
Atomen frei verschiebbar sind. Charakteristisch für den Ladungstransport in Metallen
ist, dass die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur abnimmt. Dies kann man
damit erklären, dass die Atome die Bewegung der Elektronen um so mehr behindern,
je heftiger ihre Wärmeschwingungen sind.
In guten Leitern, wie Kupfer, ist der Platz für die freien Elektronen ausreichend groß,
bei schlechteren Leitern (Eisen) ist bereits weniger Platz vorhanden und Nichtleiter
(Isolatoren ) besitzen überhaupt keine freien Elektronen.
Neben dem Ladungstransport durch freie Elektronen (Metallbindung) gibt es noch
andere Arten. Die Halbleiter (Germanium, Silizium, Galliumarsenid) leiten zwar auch
durch Elektronen, aber hier nimmt die Leitfähigkeit bei wachsender Temperatur zu
und verschwindet bei genügend tiefen Temperaturen ganz. Durch Zugabe von
Fremdstoffspuren („dotieren“) kann man die Leitfähigkeit jedoch beträchtlich
erhöhen. Schließlich gibt es Stoffe, welche durch die Bewegung der elektrisch
geladenen Atome (Ionen) leiten. Ihre Leitfähigkeit ist bedeutend geringer als die von
Metallen und steigt mit wachsender Temperatur (Beweglichkeit der Moleküle).
Der elektrische Strom wird nun definiert als die Ladungsmenge Q, die durch eine
Querschnittsfläche während einer bestimmten Zeit t fließt. Als Formel ausgedrückt:
Q
I =
t
Das Verhältnis Stromstärke zur Fläche, durch die der Strom hindurchtritt, nennt man
Stromdichte S. Seine technische Bedeutung liegt in der Belastbarkeit des Leiters. Je
höher die Stromdichte wird, desto größer ist die Erwärmung des Leiters. Die
zulässige Stromdichte eines Leiters (die nicht nur vom Querschnitt abhängt sondern