Das neue Werkbuch Elektronik - Das komplette Know-how der Elektronik aktuell erklärt
von: Rüdiger Klein
Franzis, 2012
ISBN: 9783645270090
Sprache: Deutsch
792 Seiten, Download: 55114 KB
Format: EPUB, PDF, auch als Online-Lesen
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Das neue Werkbuch Elektronik - Das komplette Know-how der Elektronik aktuell erklärt
1 Elektrotechnik Grundlagen
1.1 Grundbegriffe in der Elektrotechnik
Die Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektrik. Diese bildet eine Untergruppe der Physik . Wir wollen hier nun einige wichtige Grundvoraussetzungen schaffen, indem die Grundbegriffe der Elektrik dargestellt werden.
Woher kommt der Name Elektrizität?
Schon im Altertum wurde eine elektrische Erscheinungsform, die elektrostatische Aufladung beobachtet. Bernstein kann, mit Wolle gerieben, leichte Körper (Papierschnitzel, Haare usw.) anziehen. Griechisch heißt Bernstein: Ελεκτρον (Elektron). Das abgeleitete Wort Elektrizität ist demnach ein Begriff für eine Naturerscheinung, eine Energieform, die mit unseren Sinnesorganen nicht erfassbar ist. Die Elektrizität ist nur an ihren Wirkungen zu erkennen.
Positiv und negativ
Durch Experimente wurden zweierlei elektrische Erscheinungsformen entdeckt: Ein Glasstab, mit Seide oder Papier gerieben, stößt einen ebenso behandelten Glasstab ab, zieht dagegen einen mit Wolle geriebenen Hartgummistab an. Es wurden daher zwei Ladungszustände unterschieden: positiv (+) und negativ (–). Aus den genannten Versuchen ergibt sich auch das Gesetz:
Gleichnamige Ladungen (– und – oder + und +) stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen (– und +) ziehen sich an.
Die Festlegung der Namen und Zeichen war völlig willkürlich. Die Elektrizität auf Glas wurde mit plus (+) und die auf Gummi mit minus (–) bezeichnet. Durch die Entdeckungen in der Neuzeit können die elektrischen Erscheinungsformen besser erklärt werden. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Materie und der Elektrizität als Naturerscheinung.
Atome, Moleküle, Elektronen, Ionen
Chemische Stoffe sind aus Molekülen aufgebaut. Das Molekül ist das kleinste Teilchen einer chemischen Verbindung. Zwei oder mehr Atome bilden diesen größeren Verband der Materie. Die Atome, die kleinsten mechanisch oder chemisch nicht mehr teilbaren Teile der Materie, der Elemente, bestehen aus dem schweren positiven Kern, um den herum sich Elektronen auf kreisförmigen und elliptischen Bahnen bewegen. Die Elektronen sind kleiner und leichter als der Kern und haben eine negative Ladung. Kernmasse, Elektronenzahl und ihr Abstand stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Positive und negative Ladungen halten sich im Atom die Waage. Verliert das Atom durch äußere Einwirkung ein oder mehrere Elektronen, so wird die positive Ladung des Kerns nicht mehr vollständig neutralisiert, der Atomrest erscheint nach außen positiv geladen und wird positives Ion genannt. Ein Elektronenüberschuss lässt die negative Ladung überwiegen, es entstehen negative Ionen.
Aggregatzustände
Stoffe kommen in der Natur in 4 sogenannten Aggregatzuständen vor: fest, flüssig, gasförmig und als Plasma . Plasma ist ein gasförmiger Stoff, dem durch Energiezufuhr alle Elektronen entzogen sind. Er ist deshalb elektrisch sehr gut leitend. Die Sonne beispielsweise besteht überwiegend aus Plasma.
Beispiele des Atomaufbaus
Lithium hat drei Elektronen, die sich auf verschiedenen Bahnen um den Kern bewegen. Die beiden Innenbahnen sind kreisförmig. Die Außenbahn hat Ellipsenform, wie in Abb. 1.1 zu erkennen ist. Der Durchmesser des Atoms beträgt 10–10 m.
Bild 1.1 Lithiumatom
Im Kupferatom kreisen um den schweren positiven Kern 29 Elektronen (Abb. 1.2). Sie verteilen sich auf 4 Schalen . Auf der äußeren Bahn ist ein Elektron, das nur leicht an das Atom gebunden ist.
Bild 1.2 Kupferatom
Leiter, Nichtleiter (Isolator) und Halbleiter
Alle Metalle (z. B. Kupfer) haben ihre Atome regelmäßig im Raum angeordnet. Die chemischen Kräfte halten die Atome in einer kristallinen Struktur im Raum fest. Die äußeren Hüllelektronen der Metallatome sind nicht an ein bestimmtes Atom, sondern nur an die Gesamtheit der Atome im Kristall gebunden, wie Abb. 1.3 zeigt. Sie werden im Gegensatz zu den Elektronen, die ständig im Verband desselben Atoms verbleiben, qua sifreie (gewissermaßen freie) Elektronen genannt.
Bild 1.3 Kristallgitter
Die Atomrümpfe sind in der Darstellung mit einem Pluszeichen versehen und die quasifreien Elektronen als kleine Kügelchen gezeichnet. Die quasifreien Elektronen bewegen sich im Kristall in allen Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten völlig willkürlich durcheinander. Diese quasifreien Elektronen verhalten sich also wie ein Gas und werden deshalb auch Elektronengas genannt. Eine einwirkende elektrische oder magnetische Energie kann diese Elektronen leicht beeinflussen bzw. bewegen und einen elektrischen Strom auslösen. Alle Metalle sind daher verhältnismäßig gute Leiter.
Beispiele für Leiter: Silber, Kupfer, Gold, Eisen, verschiedene Flüssigkeiten (Elektrolyte), verschiedene Gase.
Sind in einem Stoff jedoch fast alle Elektronen an das Atom fest gebunden, können die äußeren Elektronen auch nicht oder sehr schwer von einer einwirkenden Energie bewegt werden. Diese Stoffe eignen sich nicht zum Stromtransport, sie werden Nichtleiter oder Isolator genannt.
Beispiele für Nichtleiter: Keramik, verschiedene Kunststoffe, Glimmer, Seide, Glas, Papier, Öl, Luft.
Eine dritte Gruppe stellt in ihrem elektrischen Verhalten ein Zwischending der beiden Hauptgruppen dar. Daher rührt der Name Halbleiter . Bei den Halbleitern handelt es sich eigentlich um Nichtleiter. Sie wirken beim absoluten Nullpunkt [–273 °C oder 0 K(elvin)], wie diese, vollständig isolierend. In Halbleiterwerkstoffen können durch zusätzliche Energie, z. B. Wärmezufuhr, feste Atombindungen aufbrechen und so auch Elektronen als Ladungsträger für den Stromtransport freigesetzt werden. Dies ist bereits bei Raumtemperatur der Fall.
1.2 Erscheinungsformen der Elektrizität
Die Erscheinungsformen der Elektrizität sind vielfältig. Die bekannteste Naturerscheinung äußert sich im Gewitter, wo Spannungen von einigen Millionen Volt und Ströme von 20000 Ampere (André-Marie Ampère 1775-1836, französischer Physiker und Mathematiker) und mehr auftreten können. Wir wollen an dieser Stelle einige Versuche gedanklich durchspielen, bei denen Elektrizität erzeugt wird und nachgewiesen werden kann.
Elektroskop
Ein selbst gebautes Elektroskop zeigt elektrische Ladungen an. Die Anzeige erfolgt nach dem Gesetz:
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.
Dazu wird ein Blechwinkel auf eine sehr gut isolierende Unterlage gestellt. Verschiedene Kunststoffe haben diese Eigenschaft. An einen Schenkel des Blechwinkels wird, elektrisch leitend mit dem Blechwinkel verbunden, ein Alu-Folie-Streifen gehängt.
Bild 1.4 Elektroskop – Elektronen werden verdrängt und stoßen sich gegenseitig ab
Nähern wir dem Elektroskop einen gut (fest) mit einem Baumwolltuch oder Papier geriebenen Kunststoff- oder Glasstab, so wird das Aluminiumblättchen von der festen Blechwand abgestoßen.
Erläuterung:
Der geriebene Stab wird durch die innige Verbindung der beiden Körper (Baumwolltuch und Stab) beim Reiben elektrisch geladen. Da der Stab gut isoliert, bleibt die Ladung auf ihm sitzen.
Wir nehmen in unserem Versuch an, dass die aufgebrachte Ladung negativ ist. Dass eine elektrische Kraft vom Stab ausgeht, kann durch das Anziehen von leichten Körpern (z. B. Papierschnitzeln) bewiesen werden. Die Ablenkung des Aluminiumstreifens erfolgt bei der Annäherung des geladenen Kunststoffstabes. Es genügt also schon die Annäherung einer elektrischen Ladung, um eine Ladungsverschiebung ...