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Elektrische Leitung1. Leitungsmechanismen Bändermodell2. Ladungstransport in Festkörpern
i) Temperaturabhängigkeit Leiterii) Eigen- und Fremdleitung in Halbleiterniii) Stromtransport in Isolatoreniv) Fotoleiter
3. Stromtransport in Gaseni) Erzeugung von Ladungsträgernii) Unselbständige Entladungiii) Selbständige Entladung
4. Stromtransport in Flüssigkeiteni) Ionenleitung in Flüssigkeitenii) Faradaysche Gesetzeiii) Elektrolyse und weiter Anwendungen
Ladungstransport in GasenSpannung an PlattenkondensatorEs fließt kein Strom durch die Luft, Luft ist ein guter Isolator oder schlechter Leiter
020
kV
1 0
Netz Hoch-spannung
kV0 16 kV
0,00 VPM 2535
Input
Output
0 .00
CFC-N12-1
Tisch E F1
Tisch F E1
Im Tisch E eingebaut
Koaxial - Kabel
Gerät 4; im Tisch F eingebaut
10-7 A
Röntgenkugel
Kerze bzw. Röntgenstrahlung lösen Stromfluss aus
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Ladungstransport in Gasen
Gasatome müssen in Ionen und Elektronen aufgespaltet werden (Ionisation): Gemisch von Ionen und Elektronen Plasma
Zufuhr von Energie zur Ablösung eines Elektrons Ionisationsmechanismen:– Photoionisation– Stoßionisation– Temperaturionisation– Radioaktivität– Glühemission (nur Elektronen treten aus Metallflächen bei hoher
Temperatur aus)Aber: Ionen und Elektronen können auch wieder rekombinieren
Woher kommen die freien Ladungsträger in der Luft, bzw. einem Gas?
PhotoionisationLeitungsband
E
Valenzband
hν∆E
Photoleiter:Elektron wird vom Valenz- insLeitungsband angehoben wennhν > ∆Eund trägt so zur Leitfähigkeit bei
hν
PhotoionisationElektron wird Energie hν zugeführtWenn hν > Ionisierungsenergie Wion
ein positiv geladenes Atom (Ion)negativ geladenes freies Elektron(hat mit Atom nichts mehr zu tun)Ion und Elektron tragen zu Strom bei
Wenn hν < Wionkein Ion, angeregtes Atom kein Beitrag zu Strom
hν> Wion
hν < Wion
Röntgenstrahlung hν~30keV >> Wion ~1..30eV
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Ionisationsenergie
Ionisationsenergie ist elementspezifischbestimmt durch Schalenaufbau der Atomhülle
Stoßionisation
Atom Atom+ bzw. Ion
Ladungsträger (Elektronen, Ionen) werden im Feld beschleunigtInelastischer Stoß mit Neutralteilchen
Elektronen werden herausgeschlagen (Wkin > Wion)Atom wird ionisiert
Wkin
4
Temperaturionisation
30 000K10 000K
Ionisatíonsgrad von Gasen in Abhängigkeit von der Temperatur
Bei hohen Temperaturen (hohe Geschwindigkeit)genug kinetische Energie um bei Zusammenstoß zu ionisieren
T = 5000K Oberfläche der Sonne 10-4 ter Teil von H-Atomen ionisiertKerze in Plattenko: Temperatur zu niedrig, aber Ionen in Flamme
Ladungstransport in Gasen
Atome werden durch äußere Einwirkungen ionisiert
Leitung erfolgt durch Ionen bzw. freie Elektronen
Strom = Anzahl x Ladung x Beweglichkeit x E-feld x FlächeI = n z e µ E A
Beweglichkeit [cm2/Vs]Na+ 1.3Na- 1.8O2
+ 2.2
Ionen im Wasser 10-4
Elektronen im Halbleiter 103
Elektronen im Metall 10
Festkörper > Beweglichkeit Gas >> Flüssigkeit
Strom aber so gering, weil n sehr klein
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Unselbständige Gasentladung
z. B. Einfallende ionisiernde Strahlung(N Photonen) erzeugt Np Ladungsträger
Ladungsträger für Stromfluss in Gas durch äussere Einwirkung erzeugt
Spannung wird angelegt und verändert
Was passiert?
Wie ändert sich der Strom mit der Spannung?
Anode Kathode
Ionisation
A U
Spannungsabhängigkeit
N/Np
Ohmscher Bereich1
Ohmscher Bereich -Rekombinationsbereich:niedere Spannung: kleine Beschleunigung Ladungsträger langsam, viele rekombinieren bevor sie zur Leitung beitragen
Sättigungsbereich:Beschleunigung stärker, alle erzeugten Ladungsträger tragen zu Leitung bei
Ladungen werden im E-Feld zu Elektroden beschleunigt
Was passiert bei noch höheren Spannungen?
N/Np > 1 mehr Ladungsträger gemessenals erzeugt
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IonsationskammerMessung der Stärke einer ionisierenden Strahlung
Im Sättigungsbereich gilt für den Strom I
I ∝ Anzahl der erzeugten Ladungsträger Np = Anzahl der ionisierenden Partikel
GasentladungWas passiert im Auslösebereich bei hohen Spannungen?
Spannung ist sehr groß, Elektronen werden stark beschleunigthohe Elektronenenergie Stoßionisation: Lawineneffekt
Strom wird unabhängig von Zahl der durch Ionisation generierten Ladungsträger
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Geiger-Müller Zählrohr
Metallrohr mit Gas gefülltLadungsträgergeneration durch ionisierende TeilchenFeldstärke im Bereich des Drahtes hoch: Stoßionisaton
LawinendurchbruchStromimpuls Lautsprecher
Stromimpuls unabhängig von der Art der IonisationEinmal „Tick“ ein ionsierendes Teilchen, oftmals „Tick“ viele
Selbständige Gasentladung
Gasentladung kann ohne äussere Einwirkungen selbst unterhalten werden,keine externe Ionisierungsquelle, thermische Quelle, ....
Jeder Ladungsträger sorgt für seinen eigenen Ersatz
Wie machen sie das?•Ionen prallen auf Kathode und schlagen Elektronen heraus•Energetische Elektronen ionisieren Neutralteilchen durch Stoßionisation
VoraussetzungTeilchen müssen hohe kinetische Energie haben
d.h. sie müssen schnell seind.h. sie müssen durch hohe Spannung beschleunigt werden
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Kennlinie der Gasentladung
BA
USSättigung
UUCkritisch
CD
UZ
Zünd
E
E: Glimmentladung ( bei sehr kleinem Druck )
F
F: Raumladungseffekte werden wichtigRaumladung ⇒ Abschirmung
G: Bogenentladung ( bei großem Druck )großer Strom ⇒ glühende ElektrodenGlühemission von Elektronen
G
Unselbständige EntladungA: Linearer Bereich → Ohmsches Gesetz
Gleichgewicht Erzeugung / RekombinationB: RekombinationsbereichC: Sättigungsbereich
alle Ladungsträger fließen abC→D: Stoßionisation setzt ein
D: Zündpunkt für selbständige Entladung∆Ekin (zwischen Stößen) > ∆EIonisation
jede Ladung sorgt für eigenen Ersatz
Licht bei der Entladunghν
Angeregte Zustände (Stoßanregung)geben Anregungsenergie ab:Emission eines Photons hνhν = ∆E (atomspezifisch)
hν
Elektron und Ion rekombinierenPhoton wird emittiert: Umgekehrter Prozess zu Photoionisationhν hängt von Atom und Anfangs-bedingung ab
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GasdruckabhängigkeitExperiment:Hoher Druck kein Stromflussmittlerer Druck Stromfluss mit Leuchtenkleiner Druck kein Stromfluss
Erinnerung:Druck in einem Gas, Maß für Anzahl der Teilchen pro Volumseinheit
StoßionisationTeilchen muss eine Mindestgeschwindigkeit v habenv = Beschleunigung x Zeit = a T
= Kraft/Masse x Zeit= F/m T= Feldstärke Ladung x Zeit/Masse = e E T /m
e, m KonstanteE: angelegte Spannung durch Länge der Röhre
Aber was ist T?T Zeit zwischen zwei Kollisionen: groß wenn wenig Teilchen, klein bei vielen Teilchen
DruckabhängigkeitHoher Druck: viele Stöße, kleine v ⇒ kein selbständige Entladung
Mittlerer Druck: v gut, genug Teilchen
Kleiner Druck: hohe v, aber keine Stöße mehr, weil keine Teilchen
Zündspannung als Funktion des Drucks (Paschenkurve)
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GlimmentladungStromfluss in Gasröhre: Leuchten Glimmentladung
Zonen unterschiedlicher HelligkeitErklärung kompliziertgrößter Teil positive Säule: gleichmäßig diffuses Licht
Leuchtstoffröhre
Leuchtstofflampe gefülltmit QuecksilberdampfGlimmentladungQuecksilber emittierthauptsächlich im UV
Umwandlung in sichtbares Lichtin Beschichtung (Phosphor)
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Neonröhren
Neonröhren sind reine Entladungslampen
Zum Betrieb ist Hochspannungnotwendig 2000...15.000V!!
Füllgas Leuchtfarbe Neon rotArgon gelb, grün, blau
BogenentladungenTreten bei hohen Drücken und hohen Strömen aufStrom erwärmt Elektroden, dass Elektronen austretenLadungsträger müssen nicht mehr durch Ionsation erzeugt werden
ElektroschweissenKohlenbogenentladungIntensive Lichtquelle fürProjektoren
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Funkenentladungen
BlitzlichtEnergie in Kondensator beschränktEntladung in GasröhreSelbständige Gasentladung bis Energie aufgebraucht
Kurzzeitige Bogenentladungen
Stromtransport in Gasen•Damit in einem Gas ein Strom fließen kann müssen Ladungsträger durch Ionisation erzeugt werden•Ionisation erfolgt über ionisierende Strahlung, Stoßionisation oder thermische Ionsiation•Werden Ladungsträger erzeugt so kommt es zur unselbständigen Gasentladung, dh zur Aufrechterhaltung ist eine externe Ionisation notwendig•Unselbständige Gasentladung wird zur Detektion und Charakterisierung von ionisierender (radioaktiver) Strahlung eingesetzt, zB Geiger Müller Zählrohr•Selbständige Gasentladung läuft ohne äussere Einwirkungen ab, erfordert aber eine höhere Spannung und definierte Druckverhältnisse•Bei unselbständigen Gasentladung Leuchterscheinungen durch Relaxation von angeregten Zuständen und Rekombination•Glimmentladung bei moderaten Drücken und Spannungen•Bogenentladung und Funkenentladungen bei hohen Drücken und Strömen