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 Grundlagen 2



Elektronen wollen immer nur das eine, nämlich eine Neutralität herstellen. Dazu gibt man ihnen über Kabel oder Leiterbahnen die Gelegenheit. Zieht man diese aber direkt von Minus nach Plus, dann wollen zu viele Elektronen auf einmal den Pluspol erreichen. Diese Situation nennt man einen Kurzschluss.

Es kann zu einer unschönen Erwärmung kommen und weiterer Schaden angerichtet werden. Deshalb braucht man einen Widerstand, der das Ganze kanalisiert. Das kann natürlich gleichzeitig ein Verbraucher sein. Ist der allerdings zu knapp dimensioniert, findet die Erwärmung dort statt, mit ähnlich negativen Folgen.

Man muss also das Verhalten der Elektronen studieren und irgendwie in den Griff kriegen. Nichts anderes ist die Elektronik. Dabei gibt es sogar eine Verwandtschaft zum Magnetismus. So wie jeweils zwei Nord- oder Südpole einander abstoßen, so tun das auch jeweils zwei positive oder negative Ladungen. Umgekehrt ziehen sich Nord- und Südpol sowie Plus und Minus an.

Wenn man das Verhalten von Elektronen im Griff hat, also z.B. etwas eingeschaltet hat und das funktioniert, bewegen sich die Elektronen in einem elektrischen Leiter im Prinzip von Minus nach Plus. Schon erwähnt wurde, wie man denn den Durchfluss von Elektronen misst:


Und dann kommt ein Satz, der einerseits trivial erscheint, andererseits aber auch ungewöhnlich, nämlich, dass wenn ein Elektron von einem Atom zu einem anderen wandert, es eine Lücke (ein sogenanntes 'Loch') hinterlässt und ein anderes ausfüllt. Und da sagen Elektroniker, das Loch sei genau in die entgegengesetzte Richtung des Elektrons gewandert. Wahrlich schwer sich vorzustellen, dass Löcher wandern.

Übrigens lässt sich an dieser Vorstellung auch der Unterschied zwischen technischer und physikalischer Flussrichtung erklären. Letztere betrachtet die Elektronen, die sich von Minus nach Plus bewegen, Erstere die Löcher in ihrem Streben von Plus nach Minus. Wozu ist das wichtig? Man versteht z.B. die inneren Abläufe bei einem Transistor besser, wenn man nicht nur den Fluss von Elektronen, sondern auch den von Löchern betrachtet.

Ein Loch kennzeichnet die Abwesenheit eines Elektrons.

In Metallen halten sich die Elektronen nicht an ihre äußeren Bahnen und bewegen sich mit 1.000 - 2.000 km/s um die positiven Atomrümpfe herum. Wird Spannung angelegt bewegen Sie sich als Elektronenwolke in Richtung Pluspol, allerdings recht langsam. Dabei bleiben immer welche für den Pluspol verfügbar, weshalb die Wirkung auch bei großen Entfernungen blitzartig ist.

Kupfer ist so ein Atom mit nur einem Elektron auf der äußersten Schale. Es bildet mit anderen Kupferatomen eine starre Gitterstruktur. Die von allen Kupferatomen abgegebenen Elektronen der äußersten Schale werden nicht der eines anderen Atoms zugeordnet, sind deshalb frei. Solange keine Spannung an der Gitterstruktur aus Kupfer anliegt, sorgen die gleichmäßig verteilten Elektronen für elektrische Neutralität.

Während wir die Spannung schon in Volt angegeben haben, gilt für den Stromfluss die Einheit 'Ampere'. Schon bei 1 A passieren in einer Sekunde über 6.24 * 1018 Elektronen eine bestimmte Stelle. Wohlgemerkt, sie legen jeweils nicht den Gesamtweg von Minus nach Plus zurück, sondern rücken als Gruppe vor, jedes den verlassenen Platz des davor befindlichen einnehmend. Sie sind dabei noch nicht einmal sehr schnell, erreichen aber in ihrer Gesamtheit solch beeindruckende Werte.

Die Spannung U beschleunigt die Bewegung der Elektronen mehr oder weniger. Deshalb verhält sich der Strom I zu ihr proportional. Wächst der Widerstand R in einem Kabel, z.B. durch kleinen Querschnitt und damit verbundener Abgabe von Wärme, dann liegt hier eine umgekehrte Proportionalität vor. Wir können das in einer Formel ausdrücken:


Eine sehr einfache zahlenmäßige Zuordnung ist diese:








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