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 Grundlagen 1



Elektrik wird bestimmt durch Spannung, Strom, Widerstand und Leistung.

Atome bestehen aus Neutronen und Protonen, die außer beim Wasserstoff beide den Atomkern (Nukleus) bilden. Nur die Protonen haben eine elektrische Charakteristik, sie sind positiv geladen. Neutronen sind und bleiben ungeladen. Von den Elektronen gibt es in einem neutralen Atom so viele wie Protonen. Sie sind allerdings negativ geladen.

Wenn also jemand Elektronik studiert, dann befasst er/sie sich hauptsächlich mit dem Verhalten von Elektronen. Das steht in scharfem Gegensatz zum möglichen kritischen Verhalten des Atomkerns. Elektronen werden in Modellzeichnungen immer viel zu groß gezeichnet und ihre Kreisbahn, wenn es denn eine solche sein soll, viel zu nah am Atomkern. Man kann sich diesen als Fußball vorstellen, den man in zwei Kilometer Entfernung umrunden würde.

Von großer Bedeutung ist die Atomnummer (Kernladungszahl), die sich aus der Anzahl der Protonen ergibt. Diese kennzeichnet die einzelnen Elemente. Also gibt es nicht zwei, welche die gleiche Atomnummer haben. Sie bestimmt auch die Position im Periodensystem der Elemente. Und dann gibt es noch das Atomgewicht, das durch die Masse eines Atoms gekennzeichnet ist. Da Elektronen gegenüber Protonen und Neutronen vernachlässigbar klein sind, bilden nur diese beiden die Masse eines Atoms, die ebenfalls für jedes Element verschieden ist.

Man denkt sich Elektronen als auf Schalen befindlich. So bezeichnet in bestimmten Modellen man konzentrische Kreise um den Atomkern. Diese sind der Reihe nach von innen nach außen gefüllt. Erst wenn eine voll ist, kommt die nächste an die Reihe. Dabei enthalten nicht alle Schalen die gleiche Anzahl. Je größer die Atomnummer, desto mehr Schalen sind besetzt. Uns interessiert immer nur die letzte und damit am weitesten vom Atomkern entfernte, besetzte Schale, auch Valenzschale genannt.

Die Schalen werden von innen nach außen mit Buchstaben ab 'K' aufwärts bezeichnet. So wird bei den Elementen mit den größten Atomnummern der Buchstabe 'Q' erreicht. Für die Elektronik interessant sind Elemente, die den Strom besonders gut (Leiter) und besonders schlecht (Nichtleiter) leiten. Später kommen noch die sogenannten Halbleiter hinzu. Leiter sind dabei u.a. Elemente, die freie Elektronen in der Valenzschale oder, bei Metallen, auch in der Gruppe enthalten.

Silber ist der beste Leiter, gefolgt von Kupfer und Gold. Nichtleiter haben fünf oder mehr Elektronen auf der Valenzschale und sind der Reihe nach Keramik, Kunststoff, Glas und Gummi, aber auch mit etwas geringerer Effizienz Papier, Porzellan und Luft. Nichtleiter werden auch als 'Isolatoren' bezeichnet. Und dann sind da noch die Halbleiter Germanium, Carbon und Silizium, hauptsächlich letztere Grundelemente von Dioden und Transistoren. Halbleiter haben vier Elektronen auf der Valenzschale.

Enthält ein Atom mehr Elektronen als Protonen, wird es zum negativ geladenen Ion, im umgekehrten Fall zum positiv geladenen. Reibt man z.B. Bernstein, so entsteht auf diesem negative Ladung. Es müssen also den Atomen dort mit der hinzugefügten Energie auch zusätzliche Elektronen auf deren Valenzschale 'gelandet' sein. Der Hardware, die zum Reiben benutzt wurde, fehlen diese Elektronen, wodurch diese zum positiven Ion wird. Irgendwann aber gleichen sich die Ladungen wieder aus, wenn man den Bernstein in Ruhe lässt.

Der Prozess, Strom durch einen Leiter fließen zu lassen, ist stets mit einem Widerstand verbunden. Man hat festgestellt, dass es Leiter mit besonders wenig Widerstand gibt und dass dieser bei sehr niedrigen Temperaturen u.U. null werden kann. Leider ist zur Herstellung dieses Zustands mehr Energie nötig, als durch den niedrigen Widerstand eingespart wird. Aus alledem geht hervor, dass man 'Strom' (I) als die Bewegung von Elektronen von negativ geladenen Atomen zu positiv geladenen bezeichnen kann. Als 'Coulomb' (C) bezeichnet man die Ladungseinheit von 6,24 x 1018 (6.240.000.000.000.000.000, Komma um 18 Stellen nach rechts) Elektronen.

Davon abgeleitet ist ein 'Ampere' (A) erreicht, wenn ein Coulomb an einem bestimmten Punkt in einer Sekunde erreicht wird. Als 'Spannung' (U) in 'Volt' (V) wird der Unterschied zweier verschiedener Potentiale in einem Stromkreis bezeichnet. 'Potential' ist die Möglichkeit, elektrische Arbeit zu verrichten. Während also die Anzahl der durchströmenden Elektronen in Ampere gemessen wird, stellt die Spannung eine Größe für eine Art Druck dar, der die Elektronen antreibt.

Der schon erwähnte 'Widerstand' (R) wird in Ohm (Ω) gemessen. Man bestimmt ihn, indem man die Spannung durch den Strom teilt. Leiter haben wenig Widerstand, Nichtleiter besonders viel. Ladungen haben das Bestreben, sich auszugleichen. Diese wieder in positive und negative zu trennen, nennt man 'Ionisierung'.







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