Aufgabe 1.1
Wie heißen Stoffe die nur aus einer einzigen Atomart bestehen: Moleküle, Elemente, Ionen,
Elektronen oder Neutronen?
Elemente
Aufgabe 1.2
Wie nennt man chemisch nicht mehr trennbare Teilchen der Materie: Verbindungen, Moleküle,
Elemente, Protonen oder Atome?
Atome
Aufgabe 1.3
Wie heißen die Teilchen die sich nur durch chemische Vorgänge, d. h. Zersetzung des Stoffes
trennen lassen: Atome, Elemente, Moleküle, Chemische Grundstoffe oder Protonen?
Moleküle
Aufgabe 1.5
Welche Aussage über den Aufbau von Atomen ist richtig?
- Der Atomkern besteht aus positiven Protonen und negativen Elektronen.
- Die Neutronen sind negativ geladene Teilchen die den Atomkern auf Kreisbahnen
(Schalen) umlaufen.
- Die äußerste Elektronenschale wird Valenzschale genannt und die Elektronen auf ihr
Valenzelektronen.
- Ein Atom kann maximal 5 Elektronenschalen besitzen, die von innen nach außen mit
den Buchstaben K, L, M, N, O bezeichnet werden.
- Bei Atomen ist die Anzahl der Elektronen immer gleich der Anzahl der Protonen.
Die äußerste Elektronenschale wird Valenzschale genannt und die Elektronen auf ihr Valenzelektronen.
Aufgabe 1.6
- Der Atomkern besteht aus positiven Elektronen und negativen Neutronen.
- Der Atomkern besteht aus negativen Neutronen und positiven Protonen.
- Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen.
- Der Atomkern besteht aus negativen Protonen und positiven Neutronen.
Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen.
Aufgabe 1.7
Was entsteht, wenn ein Atom ein Elektron aufnimmt?
- Ein negatives Ion
- Ein Molekül
- Ein Dipol
- Ein positives Ion
- Ein Halbleiter.
Ein negatives Ion
Aufgabe 1.8
Unter welchen Umständen gilt ein Atom als chemisch stabil?
- Bei gleicher Anzahl von Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern.
- Wenn die Valenzschale des Atoms mit 4 Valenzelektronen bestückt ist.
- Bei gleicher Anzahl von Neutronen und Protonen im Atomkern.
- Wenn die Valenzschale mit 8 Elektronen voll besetzt ist (einzige Ausnahme Helium
mit 2 Valenzelektronen).
- Bei gleicher Anzahl von Neutronen im Kern wie Elektronen in der Hülle.
Wenn die Valenzschale mit 8 Elektronen voll besetzt ist (einzige Ausnahme Helium mit 2
Valenzelektronen).
Aufgabe 1.9
Was entsteht, wenn ein Atom ein Elektron abgibt?
- Ein Halbleiter
- Eine chemische Verbindung
- Ein positives Ion.
Ein positives Ion
Aufgabe 1.10
a) Was versteht man unter elektrischer Ladung?
b) Nennen Sie ein Beispiel, wie elektrische Ladung getrennt werden kann.
c) Wie wird ruhende elektrische Ladung genannt?
d) Mit welcher Polaritätsbezeichnung wird ein Elektronenüberschuss bzw. ein Elektronenmangel
gekennzeichnet?
a) Die elektrische Ladung Q eines Körpers (die Elektrizitätsmenge) ist einMaß für Überschuss
oder Mangel an ruhenden, elektrischen Ladungsträgern (z. B. Elektronen).
b) Reibt man einen Glasstab mit Seide, so wird der Glasstab positiv, die Seide negativ geladen.
Auf dem Glasstab ist ein Mangel, auf der Seide ein Überschuss von Elektronen.
Glasstab und Seide sind elektrisch geladen.
c) Ruhende elektrische Ladung nennt man statische Elektrizität. Die Elektrostatik ist die
Lehre der ruhenden (mit der Zeit gleichbleibenden, also statischen) Ladungen. Zur
Elektrostatik gehören das elektrische Feld, das elektrostatische Potenzial, die Effekte
der elektrischen Polarisation bei Stoffen ohne frei bewegliche Ladungsträger und die
Vorgänge der Influenz (der Ladungstrennung) in Materie mit freien Ladungsträgern
(Leitern).
d) Elektronenüberschuss wird als Minuspol (negative Ladung), Elektronenmangel als Pluspol (positive Ladung) bezeichnet. Diese Bezeichnungsweise ist willkürlich und
lediglich historisch bedingt.
Aufgabe 1.11
a) Welche Wirkung hat ein elektrisch geladener Körper in seiner Umgebung auf andere
elektrisch geladene Körper?
b) Wie wird die Eigenschaft des Raumes in der Umgebung eines elektrisch geladenen
Körpers genannt? Wie kann diese Eigenschaft veranschaulicht und in ihrer Auswirkung
beschrieben werden? Verwenden Sie zur Erläuterung den Begriff „Vektorfeld“.
c) Welche Kräfte wirken zwischen elektrisch ungleich bzw. gleich geladenen Körpern?
a) Ein elektrisch geladener Körper zieht andere elektrisch geladene Körper entweder an
oder stößt sie ab. Der Zustand eines Körpers kann durch seine Wirkung auf andere
Körper und somit durch seine Ladung Q beschrieben werden.
b) Der Raum um einen elektrisch geladenen Körper wird in einen besonderen Zustand
versetzt der dadurch gekennzeichnet ist, dass auf andere elektrisch geladene Körper
Kräfte ausgeübt werden. Ein Raum mit besonderen Eigenschaften wird in der Physik
als Feld bezeichnet. Elektrisch geladene Körper sind also von einem elektrischen Feld
umgeben. Die Eigenschaft eines elektrischen Feldes, dass in ihm Kräfte auf geladene Körper ausgeübt werden, kann durch Feldlinien (dies sind Kraftlinien) dargestellt
werden. Die Dichte von Feldlinien trifft eine Aussage über die lokale Stärke der Kraft
(Betrag der Feldstärke) und der durch kleine Pfeile gekennzeichnete Linienverlauf
über die lokale Richtung der Kraftausübung (Richtung der Feldstärke in einem bestimmten
Punkt im Raum). Das elektrische Feld ist ein so genanntes Vektorfeld, das
durch einen Vektor mit Betrag und Richtung in jedem Raumpunkt festgelegt ist. Sind
Betrag und Richtung eines Feldes in einem betrachteten Gebiet konstant, so nennt man
das Feld homogen, ansonsten inhomogen. Homogene Felder haben gerade Feldlinien,
bei inhomogenen Feldern sind die Feldlinien gekrümmt.
c) Ladungen mit unterschiedlichem Vorzeichen ziehen sich an, Ladungen mit gleichem
Vorzeichen stoßen einander ab.
Aufgabe 1.12
a) Was ist die Einheit der elektrischen Ladung im SI-System?
b) Welcher Anzahl n von Elektronen entspricht die Ladungsmenge 1As?
c) Ein elektrisches Gerät wird oft als „Verbraucher“ bezeichnet. Kann elektrische Ladung
verbraucht werden?
Aufgabe 1.13
Was ist (im Unterschied zur ruhenden elektrischen Ladung) der elektrische Strom?
Elektrischer Strom ist fließende elektrische Ladung, er entsteht durch die Bewegung elektrischer
Ladungsträger. Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern.
In Metallen sind die Ladungsträger Elektronen. In Flüssigkeiten oder Gasen können
auch positive oder negative Ionen als Ladungsträger zum Stromfluss beitragen. Ursache
für die Bewegung von Ladungen in eine Vorzugsrichtung sind in erster Linie elektrische
Felder. Die Bewegung der Ladungsträger wird als Driftbewegung bezeichnet. Die mittlere
Geschwindigkeit der Ladungsträger in eine Richtung heißt Driftgeschwindigkeit.
Aufgabe 1.14
In welche Arten und mit welchen Eigenschaften kann elektrischer Strom eingeteilt werden?
Bewegung geladener Körper durch eine äußere Kraft
Geladene Körper (z.B. Staubteilchen, Flüssigkeitströpfchen) können nicht durch Einwirken
eines elektrischen Feldes sondern durch eine äußere Kraft als Träger von Ladung
bewegt und somit Ladung transportiert werden. Diese Art von Strom wird im
eigentlichen Sinne als Konvektionsstrom bezeichnet. Er ist technisch nicht von Interesse.
Leitungsstrom
Fließen bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes die Ladungsträger durch einen
Leiter, so spricht man von einem Leitungsstrom oder Leiterstrom. Da Ladungen immer
an Materie gebunden sind, mit der Strömung von Ladungsträgern also immer eine Bewegung
von Masse (ein Stofftransport) verbunden ist, wird dieser Strom oft ebenfalls
als Konvektionsstrom bezeichnet. Man nennt ihn auch Teilchenstrom.
Verschiebungsstrom
Durch zeitliche Ladungsänderungen von zwei Elektroden, zwischen denen sich ein
Nichtleiter befindet, entsteht ein Verschiebungsstrom. Es ist ein elektrischer Strom ohne Bewegung von Masse, er braucht somit auch keinen materiellen Leiter. Dieser Strom entspricht einem sich zeitlich ändernden elektrischen Feld, er wird durch die zeitliche Änderung einer elektrischen Feldstärke verursacht. – In einem Dielektrikum zwischen den Elektroden ist der Verschiebungsstrom durch eine Verschiebung von Ladungen in der Elektronenhülle der Atome (Verschiebungspolarisation) oder durch eine Ausrichtung bereits vorhandener Dipole (Orientierungspolarisation) noch anschaulich vorstellbar. Diese Verlagerung elektrischer Ladungen kann als Fortsetzung des Leitungsstromes in den Verbindungsleitungen der Elektroden betrachtet werden. Im Vakuum, in dem der Verschiebungsstrom ebenfalls existiert, ist dieser nicht mit einer Verlagerung elektrischer Ladungen verknüpft und kann nicht mehr anschaulich gedeutet werden.
Diffusionsstrom
Existiert ein örtlicher Konzentrationsunterschied von Ladungsträgern, so kann eine Ladungsbewegung
auch ohne elektrisches Feld auftreten. Eine Teilchenbewegung, die
durch Konzentrationsunterschiede hervorgerufen wird, nennt man Diffusionsstrom. Ein
solcher Strom tritt z. B. in der Sperrschicht von bipolaren Halbleiterbauelementen (Dioden,
Transistoren) auf, da auf beiden Seiten der Grenzschicht sehr starke Konzentrationsunterschiede
freier Ladungsträger bestehen. An der Grenzschicht trifft ein Gebiet
mit sehr vielen freien negativen Ladungsträgern auf ein Gebiet mit sehr vielen freien
positiven Ladungsträgern. Ein Teil der freien Ladungen eines jeden Bereiches wandert
dann in den jeweiligen anderen Bereich. Eine höhere Temperatur beschleunigt die
Diffusion.
Feldstrom, Driftstrom
Den unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes fließenden Strom in einem Halbleiter
nennt man Feldstrom oder Driftstrom.
Raumladungsstrom
In einem Glaskolben mit Vakuum befinden sich zwei entgegengesetzt geladene Elektroden,
zwischen denen sich eine Ansammlung von Elektronen befindet. Durch das
elektrische Feld zwischen den Elektroden werden die Elektronen von der Anode angezogen.
Dieser Strom stellt einen Raumladungsstrom dar. Eine Anwendung ist die
Kathodenstrahlröhre (Braun’sche Röhre).
Aufgabe 1.15
In welche drei Gruppen können Stoffe entsprechend ihrer elektrischen Leitfähigkeit eingeteilt
werden? Wie sind diese Stoffe aufgebaut, welche Eigenschaften haben sie?
Stoffe können bezüglich ihrer Fähigkeit elektrischen Strom zu leiten in Nichtleiter, Leiter
und Halbleiter eingeteilt werden.
Nichtleiter werden auch Isolatoren oder Dielektrika genannt. Bei ihnen sind fast alle
Elektronen der Elektronenhülle fest an Atomkerne gebunden. Freie Elektronen zur Bildung
fließender Ladung für einen Stromfluss sind nur sehr wenige vorhanden. Öl, Papier
und viele Kunststoffe sind Isolatoren. Das Vakuum ist ein idealer Nichtleiter.
Leiter sind vor allem Metalle. Bei Metallen ist die Bindungsenergie der Elektronen
der äußeren Elektronenschalen relativ gering, so dass sich diese von ihren Atomen lösen
können.Metalle besitzen sehr viele freie Elektronen (ca. 1023 je cm3). Elektronen werden
als frei bezeichnet, wenn sie nicht an ein Atom gebunden sind, sich zwischen den Atomen
hindurchbewegen und somit zu einem Leitungsstrom beitragen können. Beim Elektronengasmodell
besteht das Metall aus einem Gitter positiv geladener Atomrümpfe, zwischen
dem sich ein Gas aus frei beweglichen Valenzelektronen befindet. Der Widerstand von
Metallen wird mit steigender Temperatur größer.
Halbleiter sind Stoffe mit speziellen Eigenschaften des Leitvermögens, ihre Leitfähigkeit
liegt zwischen der von Leitern und Nichtleitern. Sie verhalten sich bei niedrigen
Temperaturen ähnlich wie Isolatoren. Bei Erwärmung erhöht die zugeführte Energie die
Schwingungen der Gitteratome. Lösen sich dabei Elektronen aus ihren Plätzen, so können
sie als freie Elektronen zu einem Ladungstransport beitragen, es kann ein Strom fließen.
Der Widerstand von Halbleitern wird mit steigender Temperatur kleiner. Bei der reinen Eigenleitung
des Halbleiters befindet sich immer die gleiche Anzahl positiver und negativer
Ladungen imWerkstoff. Eine Erhöhung der Leitfähigkeit wird durch das gezielte Einbringen
von Fremdatomen (Dotieren) in das Kristallgitter eines Halbleiters erreicht (Fremdleitung).
Elementhalbleiter sind Germanium und Silizium. Ein Verbindungshalbleiter ist
z. B. Galliumarsenid (GaAs).
Aufgabe 1.16
Nennen Sie je zwei Beispiele für einen Isolator, einen elektrischen Leiter und einen Halbleiter.
Isolator: Glas, Porzellan
Leiter: Gold, Kupfer
Halbleiter: Germanium, Silizium
Aufgabe 1.17
Was versteht man unter dem elektrischen Widerstand, was ist seine Ursache?
Durch den elektrischen Widerstand wird die Eigenschaft eines Leiters beschrieben, elektrischen
Strom mehr oder weniger gut hindurchzulassen, ihn entweder zu leiten oder einen Widerstand entgegenzusetzen. Der elektrische Widerstand eines Materialstückes ist ein
Maß dafür, wie stark sich dasMaterial einem Stromdurchgangwidersetzt. DerWiderstand
wird wesentlich von denMaterialeigenschaften bestimmt, ist also eine materialspezifische
Größe. Er hängt von der Anzahl freier Elektronen und von ihrer Beweglichkeit ab.
Die Ursache des elektrischenWiderstandes ist die Reibungskraft auf die Elektronen bei
ihrer Bewegung im Metall. Diese Reibungskraft kann durch die Vorstellung erklärt werden,
dass die sich bewegenden Elektronen durch die Atomrümpfe abgelenkt und gebremst
werden. So ist auch verständlich, warum sich der Widerstand von Metallen mit steigender
Temperatur erhöht: Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes eines fließenden
Elektrons mit einem stärker um seine Ruhelage schwingenden Atomrumpf nimmt zu.
Aufgabe 1.18
a) Was versteht man unter Joule’scher Wärme?
b) Wie sind Widerstand und Leitfähigkeit miteinander verknüpft?
a) Joule’sche Wärme tritt bei allen stromdurchflossenen Leitern auf. Sie entsteht durch
Zusammenstöße fließender Elektronen mit den Atomrümpfen. Die Elektronen geben
dabei die ihnen von der Spannungsquelle zugeführte Energie an die Atomrümpfe ab,
wodurch sich deren Wärmeschwingungen verstärken und sich das Leitermaterial erwärmt.
b) Der Widerstand ist der Kehrwert der Leitfähigkeit und umgekehrt.
Aufgabe 1.19
a) Erläutern Sie die Begriffe „Skalarfeld“, „Potenzial“ und „Potenzialfeld“. Was ist eine
„Äquipotenzialfläche“ bzw. eine „Äquipotenziallinie“?
b) Welche zwei grundlegenden Arten von Feldern gibt es in der Elektrotechnik?
c) Wie kann sinnbildlich die elektrische Spannung bezeichnet bzw. beschrieben werden?
a) Bei einem Vektorfeld (ein gerichtetes Feld) wird jedem Raumpunkt ein Vektor (ein Feldvektor) zugeordnet (siehe Aufgabe 1.11). Ist die den Raumzustand beschreibende physikalische Größe ein Skalar, so wird jedem Raumpunkt ein Skalar (eine Zahl) zugeordnet. Wir sprechen dann von einem Skalarfeld (ein nicht gerichtetes Feld). Ein Beispiel für ein Skalarfeld ist die Temperaturverteilung in einem Raum. Dabei wird jedem Raumpunkt durch eine Zahl eine bestimmte Temperatur zugeordnet. Die Zahl, die in einem Skalarfeld einem Raumpunkt zugeordnet ist, nennt man Potenzial. Ein Potenzialfeld liegt vor, wenn jedem Raumpunkt eines Vektorfeldes ein Potenzial zugeordnet werden kann. Ein Vektorfeld ist dann durch das Potenzial in jedem Punkt des Feldes eindeutig bestimmt.
Alle Punkte in einem räumlichen Skalarfeld, denen die gleiche Zahl zugeordnet ist (die das gleiche Potenzial haben), bilden eine Äquipotenzialfläche. Ein Skalarfeld wird durch eine Schar von Äquipotenzialflächen beschrieben bzw. grafisch dargestellt. Äquipotenziallinien ergeben sich als Schnittkurven von festgelegten Ebenen mit Äquipotenzialflächen. Ein Beispiel für Äquipotenziallinien sind ebene Kreise um eine Punktladung, welche Schnittlinien mit den Kugeloberflächen darstellen, die wiederum Äquipotenzialflächen einer sich im Mittelpunkt der Kugeln befindlichen Punktladung sind.
b) Felder in der Elektrotechnik sind elektrische und magnetische Felder.
c) Die elektrische Spannung kann sinnbildlich als der „Drang“ oder „Druck“ bezeichnet werden,mit dem sich ein Ladungsträgerunterschied (z. B. eine Ansammlung von Elektronen gegenüber einem Elektronenmangel) ausgleichen will. Die elektrische Spannung ist einMaß für das Ausgleichsbestreben unterschiedlicher elektrischer Ladungen.
Aufgabe 1.20
a) Geben Sie eine in der Physik übliche Definition des elektrischen Potenzials und der
elektrischen Spannung mit Hilfe des homogenen elektrischen Feldes an.
b) Was versteht man in einer elektronischen Schaltung unter „Masse“?
Aufgabe 1.21
a) Was versteht man unter einem Spannungsabfall?
b) Was ist eine passive Spannung?
a) Wird ein Leiter von einem Strom durchflossen, so besteht zwischen den Enden des
Leiters eine Potenzialdifferenz. Man sagt, an dem Leiter fällt eine Spannung ab. Dieser
Spannungsabfall entspricht dem Potenzialgefälle vom Anfang bis zum Ende des
Leiters (des Verbrauchers). Der Seite des Leiters mit positiver Ladung (bzw. Elektronenmangel),
also dem Pluspol einer angeschlossenen Spannungsquelle, wird ein hohes
Potenzial (hohes Arbeitsvermögen) zugeordnet. Die Seite mit negativer Ladung, also
dem Minuspol der Spannungsquelle, kann als Referenzpunkt mit dem Potenzial null
festgelegt werden. Beim Durchlaufen des Leiters verlieren Ladungsträger immer mehr
an Energie, die in Wärmeenergie umgesetzt wird.
Die Fähigkeit Arbeit zu verrichten (das Potenzial) nimmt entlang des Leiters immer
mehr ab.
Durch diese Potenzialabnahme entsteht ein Spannungsunterschied zwischen zwei beliebigen
Punkten entlang der Leiterstrecke. Üblicherweise wird die Spannung zwischen
Anfang und Ende des Leiters als Spannungsabfall am Verbraucher bezeichnet.
b) Der Spannungsabfall ist eine passive Spannung. Eine passive Spannung ist nicht in
der Lage einen Strom hervorzurufen, sie entsteht erst durch die Wirkung eines Stromes.
Einen Stromfluss bewirkt die Spannung einer (technischen) Spannungsquelle, welche als aktive Spannung bezeichnet wird. Diese Spannung entsteht durch die innere
Wirkungsweise der Quelle und ist auch ohne Strom vorhanden, sie kann aber einen
Stromfluss herbeiführen.
Aufgabe 1.22
In den Schaltplänen elektronischer Geräte werden an bestimmten Punkten der Schaltung
auf Masse (Gehäuse, Chassis) bezogene Gleichspannungen als Potenzial angegeben. Der
Masse ist das Potenzial null zugeordnet. Die Spannungen können so schnell gemessen
und die Funktionsweise des Gerätes überprüft werden. Berechnen Sie für den Transistorverstärker
in Abb. 1.1 aus den angegebenen Potenzialen die Spannungen U1 bis U7.
Aufgabe 1.23
Die Skizze in Abb. 1.2 zeigt symbolisch die unbeweglichen Atomrümpfe der Fremdatome
als Vierecke und die beweglichen Ladungsträger als kleine Kreise in einem dotierten
Halbleiterkristall.
a) Wie nennt man die Fremdatome (positiv geladenen Atomrümpfe)?
b) Wie nennt man die negativen beweglichen Ladungsträger?
c) Ist hier ein p-Halbleiter oder ein n-Halbleiter dargestellt?
a) Die positiv geladenen Atomrümpfe haben Elektronen abgegeben, man nennt sie Donatoren.
b) Die negativen Ladungsträger sind Elektronen.
c) Es handelt sich um einen n-Halbleiter.
Aufgabe 1.24
Wie bezeichnet man den Vorgang, wenn in einem Halbleiter ein Elektron den Platz eines
Defektelektrons einnimmt?
Der Vorgang wird als Rekombination bezeichnet.
Aufgabe 1.25
Wie verhält sich der Widerstand eines Halbleiters und eines metallischen Leiters mit steigender
Temperatur? Erläutern Sie jeweils dieses Verhalten.
Der Widerstand eines Halbleiters nimmt mit steigender Temperatur stark ab, da sich durch
Aufbrechen von Atombindungen die Anzahl freier Elektronen mit steigender Temperatur
erhöht. Bei einem Metall nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur zu, da die
freien Elektronen öfter mit den stärker um ihre Ruhelage schwingenden Atomrümpfen
zusammenstoßen und gebremst werden.
Aufgabe 1.26
Wie wird der Vorgang bezeichnet, wenn in einen Halbleiterkristall gezielt Fremdatome
eingebaut werden? Wie wird durch diesen Vorgang die Leitfähigkeit des Halbleiters beeinflusst?
Welche Halbleiter werden je nach Art der Fremdatome unterschieden?
Der Vorgang wird Dotierung genannt. Die Leitfähigkeit des Halbleiters nimmt durch die
Dotierung erheblich zu. Je nach eingebauten Fremdatomen herrscht im dotierten Halbleiter
ein Löcher- oder ein Elektronenüberschuss vor und es liegt ein p- oder ein n-Halbleiter
vor.
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