Grundlagen der Elektrotechnik

Verbindungskabel bestehen meist aus Kupferdraht, der mit einer isolierenden Kunststoffhülle ummantelt ist. In Leiterplatten („Platinen“) befinden sich metallische Leiterbahnen in einem isolierenden Trägermaterial (meistens Glasfasern mit Epoxidharz).

Grundsätzlich haben alle Metalle die Eigenschaft

zu leiten. Basen, Säuren und Salze haben auch freie Elektronen und können den leiten, gelten jedoch nicht als gute Leiter.

• Inhaltsverzeichnis
  1. Der Atomare Aufbau
  2. Elektrische Leiter und Nichtleiter
     1. Leiter
     2. Nichtleiter
     3. Halbleiter
  3. Schaltplan
  4. Simulator
  5. Videos
     1. Elektrische Ladung
     2. Elektrische Halbleiter
  6. Weiterführende Quellen

Der Atomare Aufbau

Um zu verstehen, was bei einem geschlossenen Stromkreis passiert, müssen wir beim Atomaren Aufbau anfangen. Das Bohrsche Atommodell beschreibt den Schichtenaufbau von Atomen, in der Mitte befindet sich der Kern aus Neutronen (neutral gelangen) und Protonen (positiv geladen), und diese werden von Elektronen (negativ geladen) umkreist.

Während Protonen und Elektronen elektrische Ladungen tragen, sind Neutronen elektrisch neutral. Die Ladungen von Protonen und Elektronen haben den gleichen Betrag, jedoch entgegengesetzte Vorzeichen.

Da niemals eine kleinere Ladungsmenge beobachtet wurde, bezeichnet man sie als Elementarladung. Den Elektronen schreibt man die negative, den Protonen die positive Elementarladung zu. Die Masse von Protonen und Neutronen ist nahezu gleich, die Masse des Elektrons dagegen außerordentlich gering. Dies bedeutet, dass die Masse eines Atoms fast ausschließlich in seinem Kern konzentriert ist. Zur Veranschaulichung dienen die folgenden Zahlen werte:

Masse des Protons m_p = 1,673 10^-27 kg

Masse des Neutrons m_n = 1,675 10^-27 kg

Masse des Elektrons m_e = 9,108 10^-31 kg

Elementarladung e₀ = 1,602 10^-19 As

Elektrische Leiter und Nichtleiter

Damit die einzelnen Bauteile eines Stromkreises miteinander verbunden werden können, sind Leitungen nötig. Warum manche Materialien den elektrischen

gut leiten, manche schlecht und manche gar nicht, wird bei einem Blick auf ein Atomgitter ersichtlich. Zum Transport des elektrischen Stroms benötigt man freie Elektronen. Das sind Valenzelektronen (Außenelektronen), die keine Bindungselektronen sind und daher mit dem Atomkern nicht fest verbunden sind. In Metallen sind alle Valenzelektronen freie Elektronen. Liegt keine elektrische Spannung an, bewegen sich die freien Elektronen ungeordnet im Atomgitter. Sobald Spannung anliegt, bewegen sie sich geordnet und gerichtet. Daraus wird ersichtlich, dass die elektrische Leitfähigkeit von der Anzahl der freien Elektronen sowie deren Beweglichkeit im Atomgitter abhängt. Gute Leiter haben viele freie Elektronen und deren Bewegungsspielraum im Atomgitter ist groß. Schlechte Leiter haben wenige freie Elektronen. Nichtleiter haben sehr wenige bis keine freien Elektronen.

Leiter

Verbindungskabel bestehen meist aus Kupferdraht, der durch eine isolierende Kunststoffhülle ummantelt ist. In Leiterplatten („Platinen“) befinden sich metallische Leiterbahnen in einem isolierenden Trägermaterial (meistens Glasfasern mit Epoxidharz).

Grundsätzlich haben alle Metalle die Eigenschaft

zu leiten. Basen, Säuren und Salze haben auch freie Elektronen und können den leiten, gelten jedoch nicht als gute Leiter.

• Kupfer (Sehr guter Leiter, gutes Preis/Leistungsverhältnis) [Installationsleitungen, Leiterplatinen, Spulen]
• Aluminium (Guter Leiter, günstig) [Hochspannungsleitung, Blitzableiter]
• Silber [Ist zu teuer um in den meisten Anwendungen verwendet zu werden]
• Gold [Guter Leiter, jedoch sehr teuer, gute Korrosionsbeständigkeit) [Kontakte]
• Eisen/Stahl (Guter Leiter, günstig) [Schienen]
• Kohle
• Salze
• Basen
• Säuren

Nichtleiter

• Kunststoffe (günstig) [Isolatoren, Gehäuse]
• Keramik [Hochspannungsleitungen]
• Luft
• Reines Wasser
• Öle [Transformator]
• Trockenes Holz
• Trockene Erde

Halbleiter

Neben Leitern und Nichtleitern gibt es auch sogenannte Halbleiter. Das sind Werkstoffe, die bei geringen Temperaturen keine oder fast keine freien Elektronen besitzen und somit den elektrischen

nicht leiten. Halbleiter besitzen jedoch die Eigenschaft, unter Licht oder Wärme Elektronen freizugeben und somit aus einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand überzugehen. Durch Dotierung kann der Effekt verstärkt werden. Das kann z.B. bei der Stromerzeugung mit Sonnenenergie genutzt werden, indem die Halbleiter durch Sonneneinstrahlung freie Elektronen abgeben.

Schaltplan

In Schaltplänen muss der Verlauf der Leitungen, ähnlich wie in Straßenbahn-Plänen, nicht mit dem tatsächlichen Verlauf der Leitungen in einer realen Schaltung übereinstimmen. So können beispielsweise Schaltpläne unter Umständen durch ein zusätzlichen Einzeichnen eines Knicks übersichtlicher gestaltet werden, während in der tatsächlichen Schaltung das Kabel an dieser Stelle linear verläuft. Leitungen in Schaltplänen geben also vielmehr an, dass Bauteile miteinander verbunden sind, nicht wie sie physikalisch angeordnet sind oder wie lang die Leitungen tatsächlich sind.

Sind – insbesondere bei komplexeren Schaltungen Leiterkreuzungen unvermeidbar, so wird im Normalfall angenommen, dass kein leitender Kontakt zwischen den sich kreuzenden Leitern besteht.:

Schaltzeichen einer Leitungs-Kreuzung. Eine leitende Verbindung zweier (oder mehrerer) Leiter wird in Schaltplänen explizit mit einem schwarzen Punkt gekennzeichnet.

Simulator

Elektrische Halbleiter

Weiterführende Quellen

Mehr Informationen sind auf diesen Links zu finden.

Quelle: http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/download/194_das_teilchenmodell.pdf

Quelle: https://123mathe.de/physik-halbleiter-in-der-elektronik

Quelle: https://www.leifiphysik.de/elektronik/einfuehrung-die-elektronik/grundwissen/eigenleitung-im-siliziumkristall