Einführung in Leitfähigkeit und Dirigenten

Inzwischen sollten Sie den Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und bestimmten Materialarten kennen. Diese Materialien, die einen leichten Durchgang freier Elektronen ermöglichen, werden als Leiter bezeichnet , während Materialien, die den Durchgang freier Elektronen behindern, als Isolatoren bezeichnet werden .

Leider sind die wissenschaftlichen Theorien, die erklären, warum bestimmte Materialien leiten und andere nicht, sehr komplex und wurzeln in quantenmechanischen Erklärungen darüber, wie Elektronen um die Kerne von Atomen angeordnet sind. Im Gegensatz zum bekannten „planetaren“ Modell von Elektronen, die als wohldefinierte Materiebrocken auf kreisförmigen oder elliptischen Bahnen um den Atomkern wirbeln, verhalten sich Elektronen in „Bahnen“ nicht wirklich wie Materiestücke. Sie weisen vielmehr die Eigenschaften von Partikeln und Wellen auf, wobei ihr Verhalten durch die Anordnung innerhalb bestimmter Zonen um den Kern, die als „Schalen“ und „Unterschalen“ bezeichnet werden, eingeschränkt wird. Elektronen können diese Zonen nur in einem begrenzten Energiebereich besetzen, abhängig von der jeweiligen Zone und davon, wie diese Zone mit anderen Elektronen besetzt ist. Wenn sich Elektronen wirklich wie winzige Planeten verhalten würden, die durch elektrostatische Anziehung in einer Umlaufbahn um den Kern gehalten würden und ihre Aktionen durch die gleichen Gesetze beschrieben würden, die die Bewegungen realer Planeten beschreiben, könnte es keinen wirklichen Unterschied zwischen Leitern und Isolatoren geben, und chemische Bindungen zwischen Atomen würden es nicht geben existieren so, wie sie es jetzt tun. Es ist die diskrete, „quantisierte“ Natur der Elektronenenergie und -platzierung, die von der Quantenphysik beschrieben wird, die diesen Phänomenen ihre Regelmäßigkeit verleiht.

Atom im angeregten Zustand

Wenn ein Elektron frei ist, um den Kern eines Atoms herum höhere Energiezustände anzunehmen (aufgrund seiner Platzierung in einer bestimmten „Schale“), kann es sich frei vom Atom lösen und einen Teil eines elektrischen Stroms durch die Substanz bilden.

Atom im Grundzustand

Wenn die einem Elektron auferlegten Quantenbeschränkungen ihm diese Freiheit verweigern, gilt das Elektron jedoch als „gebunden“ und kann sich nicht (zumindest nicht leicht) lösen, um einen Strom zu bilden. Das erstere Szenario ist typisch für leitende Materialien, während das letztere für isolierende Materialien typisch ist.

Einige Lehrbücher werden Ihnen sagen, dass die elektrische Leitfähigkeit eines Elements ausschließlich durch die Anzahl der Elektronen bestimmt wird, die sich in der äußeren „Schale“ der Atome befinden (die so genannte Valenz Schale), aber dies ist eine zu starke Vereinfachung, wie jede Untersuchung der Leitfähigkeit gegenüber Valenzelektronen in einer Tabelle von Elementen bestätigen wird. Die wahre Komplexität der Situation wird noch deutlicher, wenn man die Leitfähigkeit von Molekülen (Ansammlungen von Atomen, die durch Elektronenaktivität miteinander verbunden sind) betrachtet.

Ein gutes Beispiel dafür ist das Element Kohlenstoff, das aus Materialien mit sehr unterschiedlicher Leitfähigkeit besteht:Graphit und Diamant . Graphit ist ein guter Stromleiter, während Diamant praktisch ein Isolator ist (seltsamerweise wird er technisch als Halbleiter klassifiziert.) , das in seiner reinen Form als Isolator wirkt, aber bei hohen Temperaturen und/oder dem Einfluss von Verunreinigungen leiten kann). Sowohl Graphit als auch Diamant bestehen aus genau den gleichen Atomarten:Kohlenstoff mit jeweils 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen. Der grundlegende Unterschied zwischen Graphit und Diamant besteht darin, dass Graphitmoleküle flache Gruppierungen von Kohlenstoffatomen sind, während Diamantmoleküle tetraedrische (pyramidenförmige) Gruppierungen von Kohlenstoffatomen sind.

Das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zweck der Veränderung seiner elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften wird als Dotierung bezeichnet . Werden Kohlenstoffatome mit anderen Atomarten zu Verbindungen verbunden, verändert sich die elektrische Leitfähigkeit erneut. Siliziumkarbid, eine Verbindung der Elemente Silizium und Kohlenstoff, zeigt ein nichtlineares Verhalten:Sein elektrischer Widerstand nimmt mit steigender angelegter Spannung ab! Kohlenwasserstoffverbindungen (wie die in Ölen vorkommenden Moleküle) sind in der Regel sehr gute Isolatoren. Wie Sie sehen, ist eine einfache Zählung der Valenzelektronen in einem Atom ein schlechter Indikator für die elektrische Leitfähigkeit einer Substanz.

Alle metallischen Elemente sind aufgrund der Art und Weise, wie sich die Atome miteinander verbinden, gute Stromleiter. Die Elektronen der Atome, die eine Metallmasse bilden, sind in ihren zulässigen Energiezuständen so ungehemmt, dass sie frei zwischen den verschiedenen Kernen in der Substanz schweben, leicht motiviert durch jedes elektrische Feld. Die Elektronen sind sogar so mobil, dass sie manchmal von Wissenschaftlern als Elektronengas beschrieben werden , oder sogar ein Elektronenmeer in dem die Atomkerne ruhen. Diese Elektronenbeweglichkeit ist für einige der anderen üblichen Eigenschaften von Metallen verantwortlich:gute Wärmeleitfähigkeit, Formbarkeit und Duktilität (leicht in verschiedene Formen umgeformt) und ein glänzendes Finish im reinen Zustand.

Zum Glück ist die Physik dahinter für unsere Zwecke hier größtenteils irrelevant. Es genügt zu sagen, dass manche Materialien gute Leiter sind, manche schlechte Leiter und manche liegen dazwischen. Im Moment reicht es aus, einfach zu verstehen, dass diese Unterschiede durch die Konfiguration der Elektronen um die konstituierenden Atome des Materials bestimmt werden.

Ein wichtiger Schritt, um Strom dazu zu bringen, unseren Anforderungen gerecht zu werden, besteht darin, Strompfade mit kontrolliertem Widerstand zu konstruieren. Es ist auch von entscheidender Bedeutung, dass wir durch den Einsatz von Isoliermaterialien verhindern können, dass Strom dort fließt, wo wir es wollen. Jedoch sind nicht alle Leiter gleich und auch nicht alle Isolatoren. Wir müssen einige der Eigenschaften üblicher Leiter und Isolatoren verstehen und in der Lage sein, diese Eigenschaften auf spezifische Anwendungen anzuwenden.

Fast alle Leiter besitzen einen bestimmten, messbaren Widerstand (besondere Materialien, die Supraleiter genannt werden) besitzen absolut keinen elektrischen Widerstand, aber dies sind keine gewöhnlichen Materialien, und sie müssen unter besonderen Bedingungen gehalten werden, um supraleitend zu sein). Normalerweise gehen wir davon aus, dass der Widerstand der Leiter in einem Stromkreis Null ist, und wir erwarten, dass Strom durch sie fließt, ohne einen nennenswerten Spannungsabfall zu erzeugen. In Wirklichkeit wird es jedoch fast immer einen Spannungsabfall entlang der (normalen) leitfähigen Pfade eines Stromkreises geben, unabhängig davon, ob wir einen Spannungsabfall dort haben wollen oder nicht:

Um zu berechnen, wie hoch diese Spannungsabfälle in einem bestimmten Stromkreis sein werden, müssen wir in der Lage sein, den Widerstand eines gewöhnlichen Drahtes zu bestimmen, indem wir die Drahtgröße und den Durchmesser kennen. In einigen der folgenden Abschnitte dieses Kapitels werden die Einzelheiten dazu beschrieben.

RÜCKBLICK:

• Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials wird durch die Konfiguration der Elektronen in den Atomen und Molekülen (Gruppen gebundener Atome) in diesen Materialien bestimmt.
• Alle normalen Leiter besitzen einen gewissen Widerstand.
• Strom, der durch einen Leiter mit (beliebigem) Widerstand fließt, erzeugt einen gewissen Spannungsabfall über die Länge dieses Leiters.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Leiter und Isolatoren
• Arbeitsblatt Spezifischer Leiterwiderstand