Leiter, Isolatoren und Elektronenfluss

Die Elektronen verschiedener Atomarten haben unterschiedliche Freiheitsgrade, um sich zu bewegen. Bei einigen Arten von Materialien, wie beispielsweise Metallen, sind die äußersten Elektronen in den Atomen so locker gebunden, dass sie sich im Raum zwischen den Atomen dieses Materials nur durch den Einfluss der Wärmeenergie bei Raumtemperatur chaotisch bewegen. Da diese praktisch ungebundenen Elektronen ihre jeweiligen Atome frei verlassen und im Raum zwischen benachbarten Atomen herumschweben können, werden sie oft als freie Elektronen bezeichnet .

Leiter vs. Isolatoren

In anderen Materialien wie Glas haben die Elektronen der Atome nur sehr wenig Bewegungsfreiheit. Während äußere Kräfte wie physikalisches Reiben einige dieser Elektronen dazu zwingen können, ihre jeweiligen Atome zu verlassen und auf die Atome eines anderen Materials zu übertragen, bewegen sie sich nicht sehr leicht zwischen Atomen innerhalb dieses Materials.

Diese relative Mobilität von Elektronen innerhalb eines Materials wird als elektrische Leitfähigkeit bezeichnet . Die Leitfähigkeit wird durch die Art der Atome in einem Material bestimmt (die Anzahl der Protonen in jedem Atomkern bestimmt seine chemische Identität) und wie die Atome miteinander verbunden sind. Materialien mit hoher Elektronenbeweglichkeit (viele freie Elektronen) werden als Leiter bezeichnet , während Materialien mit geringer Elektronenbeweglichkeit (wenige oder keine freien Elektronen) als Isolatoren bezeichnet werden . Hier sind einige gängige Beispiele für Leiter und Isolatoren:

• Dirigenten
• Silber
• Kupfer
• gold
• Aluminium
• Eisen
• Stahl
• Messing
• Bronze
• Quecksilber
• Graphit
• schmutziges Wasser
• Beton

• Isolatoren
• Glas
• Gummi
• Öl
• Asphalt
• Glasfaser
• Porzellan
• Keramik
• Quarz
• (trockene) Baumwolle
• (trockenes) Papier
• (trockenes) Holz
• Kunststoff
• Luft
• Diamant
• reines Wasser

Es ist zu beachten, dass nicht alle leitfähigen Materialien die gleiche Leitfähigkeit aufweisen und nicht alle Isolatoren gleichermaßen widerstandsfähig gegenüber Elektronenbewegungen sind. Die elektrische Leitfähigkeit entspricht der Lichtdurchlässigkeit bestimmter Materialien:Materialien, die Licht leicht „leiten“, werden als „transparent“ bezeichnet, während solche, die dies nicht tun, als „undurchsichtig“ bezeichnet werden. Allerdings sind nicht alle transparenten Materialien gleich lichtleitfähig. Fensterglas ist besser als die meisten Kunststoffe und sicherlich besser als „klares“ Fiberglas. So ist es auch bei elektrischen Leitern, von denen einige besser sind als andere.

Silber ist beispielsweise der beste Leiter in der Liste der „Leiter“ und bietet einen leichteren Durchgang für Elektronen als jedes andere genannte Material. Schmutziges Wasser und Beton werden ebenfalls als Leiter aufgeführt, aber diese Materialien sind wesentlich weniger leitfähig als jedes Metall.

Es sollte auch verstanden werden, dass einige Materialien unter verschiedenen Bedingungen Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften erfahren. Glas beispielsweise ist bei Raumtemperatur ein sehr guter Isolator, wird aber bei sehr hoher Temperatur zu einem Leiter. Auch Gase wie Luft, normalerweise isolierende Materialien, werden leitfähig, wenn sie auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden. Die meisten Metalle werden beim Erhitzen schlechtere Leiter und beim Abkühlen bessere Leiter. Viele leitfähige Materialien werden perfekt leitfähig (dies wird als Supraleitung bezeichnet). ) bei extrem niedrigen Temperaturen.

Elektronenfluss / Elektrischer Strom

Während die normale Bewegung „freier“ Elektronen in einem Leiter zufällig ist, ohne eine bestimmte Richtung oder Geschwindigkeit, können Elektronen so beeinflusst werden, dass sie sich koordiniert durch ein leitfähiges Material bewegen. Diese gleichförmige Bewegung von Elektronen nennen wir Elektrizität oder elektrischer Strom . Genauer gesagt könnte man es dynamische Elektrizität nennen im Gegensatz zu statischer Elektrizität , die eine unbewegliche Ansammlung von elektrischer Ladung ist. Wie Wasser, das durch die Leere eines Rohres fließt, können sich Elektronen im leeren Raum innerhalb und zwischen den Atomen eines Leiters bewegen. Der Leiter mag für unsere Augen fest erscheinen, aber jedes Material, das aus Atomen besteht, ist meist leerer Raum! Die Analogie zum Flüssigkeitsfluss ist so passend, dass die Bewegung von Elektronen durch einen Leiter oft als „Fluss“ bezeichnet wird.

An dieser Stelle kann eine bemerkenswerte Beobachtung gemacht werden. Da sich jedes Elektron gleichmäßig durch einen Leiter bewegt, stößt es auf das vor ihm liegende Elektron, sodass sich alle Elektronen als Gruppe zusammen bewegen. Das Starten und Stoppen des Elektronenflusses durch die Länge eines leitfähigen Pfades erfolgt praktisch augenblicklich von einem Ende eines Leiters zum anderen, obwohl die Bewegung jedes Elektrons sehr langsam sein kann. Eine ungefähre Analogie ist die einer Röhre, die Ende-an-Ende mit Murmeln gefüllt ist:

Die Röhre ist voller Murmeln, so wie ein Leiter voller freier Elektronen ist, die bereit sind, durch äußere Einflüsse bewegt zu werden. Wenn in diese volle Röhre auf der linken Seite plötzlich eine einzelne Murmel eingeworfen wird, versucht sofort eine andere Murmel, die rechte Röhre zu verlassen. Obwohl jede Murmel nur eine kurze Strecke zurückgelegt hat, erfolgt die Bewegungsübertragung durch die Röhre praktisch augenblicklich vom linken Ende zum rechten Ende, egal wie lang die Röhre ist. Bei Elektrizität geschieht die Gesamtwirkung von einem Ende eines Leiters zum anderen mit Lichtgeschwindigkeit:rasante 186.000 Meilen pro Sekunde!!! Jedes einzelne Elektron bewegt sich jedoch viel . durch den Leiter langsameres Tempo.

Elektronenfluss durch Draht

Wenn wir möchten, dass Elektronen in eine bestimmte Richtung zu einem bestimmten Ort fließen, müssen wir ihnen den richtigen Weg bieten, so wie ein Klempner Rohrleitungen installieren muss, damit das Wasser dorthin fließt, wo es fließen soll. Um dies zu erleichtern, Drähte bestehen aus hochleitfähigen Metallen wie Kupfer oder Aluminium in den unterschiedlichsten Größen.

Denken Sie daran, dass Elektronen nur dann fließen können, wenn sie die Möglichkeit haben, sich im Raum zwischen den Atomen eines Materials zu bewegen. Das bedeutet, dass es nur Strom geben kann wo ein kontinuierlicher Pfad aus leitfähigem Material existiert, der eine Leitung für die Durchleitung von Elektronen bereitstellt. In der Marmoranalogie können Murmeln in die linke Seite der Röhre (und folglich durch die Röhre) fließen, wenn und nur wenn die Röhre auf der rechten Seite offen ist, damit Murmeln ausfließen können. Wenn das Rohr auf der rechten Seite verstopft ist, "stapeln" sich die Murmeln im Rohr und es tritt kein Murmeln "Fluss" auf. Das gleiche gilt für elektrischen Strom:Der kontinuierliche Elektronenfluss erfordert einen ununterbrochenen Weg, um diesen Fluss zu ermöglichen. Schauen wir uns ein Diagramm an, um zu veranschaulichen, wie das funktioniert:

Eine dünne, durchgezogene Linie (wie oben gezeigt) ist das herkömmliche Symbol für ein durchgehendes Stück Draht. Da der Draht aus einem leitfähigen Material wie Kupfer besteht, haben seine Atome viele freie Elektronen, die sich leicht durch den Draht bewegen können. Es wird jedoch niemals einen kontinuierlichen oder gleichförmigen Elektronenfluss innerhalb dieses Drahtes geben, es sei denn, sie haben einen Ort, von dem sie kommen und einen Ort, an den sie gehen können. Fügen wir ein hypothetisches Elektron „Quelle“ und „Ziel“ hinzu:

Da nun die Elektronenquelle auf der linken Seite neue Elektronen in den Draht schiebt, kann ein Elektronenfluss durch den Draht erfolgen (wie durch die von links nach rechts zeigenden Pfeile angezeigt). Der Fluss wird jedoch unterbrochen, wenn die vom Draht gebildete Leiterbahn unterbrochen wird:

Elektrische Kontinuität

Da Luft ein isolierendes Material ist und ein Luftspalt die beiden Drahtstücke trennt, ist der einst kontinuierliche Weg jetzt unterbrochen und Elektronen können nicht von der Quelle zum Ziel fließen. Dies ist, als würde man eine Wasserleitung entzweischneiden und die abgebrochenen Enden der Leitung mit einer Kappe verschließen:Wasser kann nicht fließen, wenn es keinen Ausgang aus der Leitung gibt. In elektrischer Hinsicht hatten wir einen Zustand der elektrischen Kontinuität wenn der Draht in einem Stück war, und jetzt ist diese Kontinuität mit dem Draht durchtrennt und getrennt.

Wenn wir ein weiteres Stück Draht zum Ziel nehmen und einfach physischen Kontakt mit dem zur Quelle führenden Draht herstellen würden, hätten wir wieder einen kontinuierlichen Weg für den Elektronenfluss. Die zwei Punkte im Diagramm zeigen den physischen Kontakt (Metall-auf-Metall) zwischen den Drahtstücken an:

Jetzt haben wir Kontinuität von der Quelle zur neu hergestellten Verbindung, nach unten, nach rechts und hinauf zum Ziel. Dies ist vergleichbar mit dem Einsetzen eines T-Stücks in eines der mit einer Kappe versehenen Rohre und dem Leiten von Wasser durch ein neues Rohrsegment zu seinem Bestimmungsort. Bitte beachten Sie, dass durch das unterbrochene Drahtsegment auf der rechten Seite keine Elektronen fließen, da es nicht mehr Teil eines vollständigen Pfads von der Quelle zum Ziel ist.

Es ist interessant festzustellen, dass aufgrund dieses elektrischen Stroms kein „Verschleiß“ in den Drähten auftritt, im Gegensatz zu wasserführenden Rohren, die schließlich durch längere Strömungen korrodiert und abgenutzt werden. Elektronen stoßen bei ihrer Bewegung jedoch auf ein gewisses Maß an Reibung, und diese Reibung kann in einem Leiter Wärme erzeugen. Dies ist ein Thema, auf das wir später noch ausführlicher eingehen werden.

RÜCKBLICK:

• In leitfähig Materialien können die äußeren Elektronen in jedem Atom leicht kommen oder gehen und werden als freie Elektronen bezeichnet .
• In isolieren Materialien können sich die äußeren Elektronen nicht so frei bewegen.
• Alle Metalle sind elektrisch leitfähig.
• Dynamische Elektrizität , oder elektrischer Strom , ist die gleichförmige Bewegung von Elektronen durch einen Leiter.
• Statische Elektrizität unbeweglich ist (wenn auf einem Isolator), angesammelte Ladung, die entweder durch einen Überschuss oder einen Mangel an Elektronen in einem Objekt gebildet wird. Es wird typischerweise durch Ladungstrennung durch Kontakt und Trennung unterschiedlicher Materialien gebildet.
• Damit Elektronen kontinuierlich (unbegrenzt) durch einen Leiter fließen können, muss es einen vollständigen, ununterbrochenen Weg geben, damit sie sich sowohl in den Leiter hinein als auch aus ihm heraus bewegen können.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Leiter und Isolatoren