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1 Elektrische Leitungsvorgänge1.1 Elektrische Leitung in festen Körpern

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Antwort zu 1.):

Antwort zu 2.):

Antwort zu 3.):

Antwort zu 4.):

Antwort zu 5.):

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1.2 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten

Entsprechend dem allgemeinen Leitungsmodell müssen für einen elektrischen Leitungsvor-gang zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges in Flüssigkeiten ist dadurch gekennzeich-net, dass

Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten können überall dort auftreten, wo sich Ionen in einer Flüs-sigkeit befinden. Das ist z. B. auch bei Mineralwasser oder Leitungswasser der Fall. Des-halb:

Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten werden z. B. bei der Elektrolyse, beim Galvanisieren oderbeim Lackieren von Autoteilen genutzt.

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Durch die Wassermoleküle werden die von den Ionen ausgehendenelektrostatischen Kräfte abgeschwächt. Die Ionen an der Oberflächewerden dadurch nicht mehr ausreichend an das Kochsalzgitter ge-bunden und verlassen es. Kurz darauf umschließen die Wasser-moleküle die einzelnen freien Ionen vollständig. Sie bilden ein kleineWasserhülle um sie, die man auch Solvathülle nennt. Schritt für Schrittwird nun der ganze Kristall gelöst - er dissoziiert. Die Dissoziations-gleichung lautet in diesem Fall:

Als Dissoziation bezeichnet man die Aufspaltung von Molekülenin kleinere Bestandteile. Dies können Atome, einfache Ionen oderIonenverbindungen sein. Die Dissoziation von Molekülen wird durchverschiedene Vorgänge ausgelöst. Sie erfolgt beim Lösen von Stof-fen in Wasser oder anderen Lösungsmitteln, kann aber auch durchhohe Temperaturen, elektrische Ströme, radioaktive oder elektroma-gnetische Strahlung hervorgerufen werden.

Nachfolgend wird als Beispiel die Dissoziation von Kochsalzkristallenin Wasser näher betrachtet. Im Kristallgefüge werden die einzelnenNatrium- und Chlorionen durch die gegenseitige elektrostatische An-ziehung an ihrem Platz gehalten. Dabei sind die Natriumionen positivund die Chlorionen negativ geladen. Gelangt ein Kochsalzkristall inWasser, dann treten die Ionen an seiner Oberfläche in Wechselwir-kung mit den Wassermolekülen. Dabei wirkt sich besonders der Dipol-charakter der Wassermoleküle aus. Darunter versteht man folgendeEigenschaft:

In den Wassermolekülen sind die Wasserstoffatome unddie Sauerstoffatome mit ihren gemeinsamen Bindungs-elektronen so verteilt, dass ein Teil des länglichen Wasser-moleküles positiv, der andere Teil negativ geladen ist. DieWassermoleküle lagern sich daher so an die Kochsalz-oberfläche an, dass ihr positiv geladener Abschnitt in Rich-tung Chlorionen zeigt und diese weitgehend umschließt.Andere Wassermoleküle lagern sich mit ihrem negativ ge-ladener Teil um die Natriumionen an.

Die einzelnen Ionen sind mit ihren Solvathüllen im Wasser nahezufrei beweglich. Ausreichend durch die geordneten Wassermoleküleihrer Solvathüllen abgeschirmt beeinflussen sie sich - verglichen mitden Kräften im Kristallgitter - kaum noch gegenseitig.

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NaCl

Na+ Cl−

2H O

Na+

2H O Na+Cl−

Cl−

Cl−

Na+

Na+

Cl−

Na+

2H O Na+Cl−

Cl−

Cl−

Na+

Na+

Cl−

A

2H O Na+

Cl−

Cl−Cl−

A

Na+

Na+ Na+ Cl−

2H O Na+Cl−Cl−

A

Na+

Cl−

Cl−

H+

H+

NaOHNaOH

2H O Na+Cl−Cl−

A

Na+ −

−2C l

−

−

2H

NaOHNaOH

NaCl (Kochsalz) wird in H2O (Wasser) aufgelöst.

Anode (verbunden mit dem Pluspol) und Katode (ver-bunden mit dem Minuspol) einer Spannungsquellewerden in die Flüssigkeit getaucht. Zur Kontrolle wirdein Ampèremeter, das den elektrischen Strom misst,in die Leitung eingeschalten.

An der Anode (Pluspol) angekommen, gibt das ne-gative Cl- - Ion sein Elektron an die Anode ab. Gleich-zeitig reagiert das positve Na+ - Ion mit H2O, so dassH+ und NaOH entsteht. An der Katode (Minuspol)nimmt das positive H+ - Ion ein Elektron auf.

Das Elektron, das an der Anode von dem Cl- - Ionabgegeben wird, fliesst also durch das Ampèremeterzum Pluspol der Spannungsquelle, geht innerhalb derSpannungsquelle zum Minuspol und fliesst dann zurKatode, wo das Elektron dann von dem H+ - Ion auf-genommen wird.

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1.3 Elektrische Leitung in Halbleitern

1.3.1 Eigenleitung

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1.3.2 Fremdleitung

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2 Die Halbleiterdiode2.1 Aufbau und Funktion der Halbleiterdiode

Bereits im Herstellungsprozess der Dioderekombinieren im Grenzbereich von n-Schicht und p-Schicht kurzzeitig freie Elektronen und Defekt-elektronen (Löcher). Diese Sperrschicht(Rekombinationsschicht) ist zwar nur ca. 1/10mm stark,kann aber von weiteren beweglichen Ladungsträgernder beiden Halbleiter-Schichten zunächst nicht über-wunden werden.Die Diode hat dabei einen verhältnismäßig hohen elek-trischen Widerstand.

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Der Pluspol der Stromquelle saugt einige Elektronenaus der n-Schicht ab und der Minuspol der Stromquelle„presst“ gleichzeitig einige Elektronen in die p-Schicht,die in Rekombinationssprüngen zur Sperrschicht wan-dern (Sogwirkung des Pluspols) und die Sperrschichtnoch weiter verbreitern.Der el. Widerstand der Diode hat sich dadurch vergrö-ßert.Die Diode ist in Sperr-Richtung geschaltet.

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Der Pluspol der Stromquelle saugt Elektronen aus derSperrschicht ab, der Minuspol „presst“ Elektronen indie n-Schicht. Ab der Durchbruchspannung (Schwellen-wert) von ca. 0,7 Volt ist die Sperrschicht vollständigaufgelöst. Elektronen wandern dann vom n-Anschluß inRekombinationssprüngen durch die n-Schicht und diep-Schicht zum p-Anschluß der Diode.Der elektrische Widerstand der Diode ist dabei sehr ge-ring geworden.Die Diode ist in Durchlaßrichtung geschaltet.

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2.2 Die Diode als Einweg-Gleichrichter

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2.3 Die Diode als Zweiweg-Gleichrichter

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3 Der Transistor3.1 Aufbau und Funktion des Transistors

Da der Schalter S geöffnet ist, fließt imSteuerstromkreis (zwischen B und E) keinStrom.(Die BE-Diode ist in Durchlaßrichtung ge-schaltet.)

Im Laststromkreis (zwischen C, B und Efließt ebenfalls kein Strom, da die obereBC-Diode in Sperr-Richtung geschaltetist. Die Lampe L leuchtet folglich nicht.

Steuerstromkreis: Laststromkreis:

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Da der Schalter S geschlossen ist, fließtim Steuerstromkreis (zwischen B und E)ein Strom, der vom Schutzwiderstand Rbegrenzt wird (die BE-Diode ist in Durch-laßrichtung geschaltet.)

Im Laststromkreis (zwischen C, B und E)leuchtet die Lampe L auf und deutet dar-auf hin, dass in diesem Stromkreis eben-falls ein Strom fließt, obwohl die obere BC-Diode in Sperr-Richtung geschaltet ist.Dieses zunächst unerwartete Verhaltennennt man den Transistoreffekt.

Die mittlere Basisschicht des Transistors ist extrem dünn gebaut. Erreicht der Emit-ter-Basis-Elektronen-strom (in der Skizze grün gezeichnet), der vom Minuspol vonSQ1 zum Pluspol von SQ1 fließt, eine gewisse Stärke, so reißen diese Elektronen wei-tere Elektronen vom Minuspol von SQ2 mit (in der Skizze magenta gezeichnet), die dieobere Sperrschicht durchdringen und über den Kollektor zum Pluspol von SQ2 fliessen.

Steuerstromkreis: Laststromkreis:

Transistoreffekt:

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3.2 Der Transistor als Schalter

−

+

T

L

B

E

BEU

CArbeitskreis

gU 9 V=

Steuerkreis

+

−

BEU 0..1V=

Der Transistor ist im Arbeitskreis mit der Glühlampe in Serie geschaltet.

UgnunnapsreuetS UgnunnapsreuetS UgnunnapsreuetS UgnunnapsreuetS UgnunnapsreuetS EBEBEBEBEB V0 V0 V0 V0 V0 V6,0-V1,0 V6,0-V1,0 V6,0-V1,0 V6,0-V1,0 V6,0-V1,0 V1-V7,0 V1-V7,0 V1-V7,0 V1-V7,0 V1-V7,0

rotsisnarT rotsisnarT rotsisnarT rotsisnarT rotsisnarT

IIIII sierkstiebrA sierkstiebrA sierkstiebrA sierkstiebrA sierkstiebrA

epmaL epmaL epmaL epmaL epmaL

Merksatz:

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−

+

T

L1R

2R

B

E

BEU2U

1U

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU 9 V=

Merksatz:

RRRRR11111

RRRRR22222

UUUUU11111

UUUUU22222

UUUUU EBEBEBEBEB

rotsisnarT rotsisnarT rotsisnarT rotsisnarT rotsisnarT

IIIII sierkstiebrA sierkstiebrA sierkstiebrA sierkstiebrA sierkstiebrA

epmaL epmaL epmaL epmaL epmaL

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3.2.1 Hellsteuerung mit Transistor

Schaltskizze:

−

+

−9VT

L1R

2R

B

E

BEU2U

1U

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

Aufbau: Die Schaltung besteht aus 2 zueinander parallelen Spannungsteilern:

1. Spannungsteiler (Arbeitskreis): Lampe und Transistor2. Spannungsteiler (Steuerkreis): Photowiderstand R1 und Drehwiderstand R2

Bei verdunkeltem Photowiderstand wird der Drehwiderstand so eingestellt, daßder Transistor den Arbeitskreis sperrt und die Lampe nicht brennt.U2 < 0,7 V.

Funktion: Wird der Photowiderstand im Steuerkreis beleuchtet, so leuchtet im Arbeits-kreis die Lampe.Wird der Photowiderstand im Steuerkreis nicht beleuchtet, so leuchtet im Ar-beitskreis die Lampe nicht.

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R1 : PhotowiderstandR2 : regelbarer Widerstand 10 kΩΩΩΩΩL : Glühlampe 4V / 0,04AT : npn - Transistor

Erklärung:

A) VerdunklungPhotowiderstand und Drehwiderstand teilen sich die Spannung von 9 V imVerhältnis ihrer Widerstandswerte.Der verdunkelte Photowiderstand hat einen sehr hohen Widerstandswert. DerDrehwiderstand wird so eingestellt, daß an ihm eine Spannung U2 = 0,5 V liegt.Da Basis und Emitter des Transistors parallel zum Drehwiderstand geschaltetsind, liegt zwischen Basis und Emitter eine Spannung UBE = 0,5 V.Der Transistor sperrt den Arbeitsstromkreis.Die Lampe im Arbeitskreis leuchtet nicht.

B) BeleuchtungWird der Photowiderstand beleuchtet, so sinkt sein Widerstandswert. Da derDrehwiderstand nicht verändert wird, ist R2 unverändert. Das Verhältnis derWiderstandswerte hat sich verändert, daher verändern sich die Teilspannun-gen U1 und U2. U1 wird kleiner, dadurch wird U2 > 0,7 V. Zwischen Basis undEmitter des Transistors liegt eine Spannung UBE > 0,7 V.Der Transistor gibt den Arbeitskreis frei.Die Lampe im Arbeitskreis leuchtet.

−

+

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

2U 0,5V=

1U 8,5V=

BEU 0,5 V=

gU 9V=T sperrt

L leuchtet nicht

−

+

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis1U 8,1V=

BEU 0,9 V=

gU 9V=

L leuchtet

T öffnet

2U 0,9 V=

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3.2.2 Dunkelsteuerung mit Transistor

Schaltskizze:

1

2

R : regelbarer Widerstand10 kΩR :Photowiderstand

L : Glühlampe 4 V/0,04 AT : npn Transistor−

Aufbau:

Funktion:

−

+

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU 9V=

L

T

2U BEU

1U

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Erklärung:

A)

B)

−

+

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU 9V=

−

+

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU 9V=

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3.2.3 Feuermelder mit Transistor

Schaltskizze:

−

+

−9VT

L1R

2R

B

E

BEU2U

1U

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

ϑ

1

2

R :NTC Widers tandR : regelbarer Widerstand10 kΩ

L : Glühlampe 4 V/0,04 AT : npn Transistor

−

−

Aufbau:

Funktion:

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Erklärung:

A)

B)

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

ϑ

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

ϑ

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3.2.4 Frostmelder mit Transistor

Schaltskizze:

Aufbau:

Funktion:

1

2

R : regelbarer Widerstand10 kΩR :NTC Widers tand

L : Glühlampe 4 V/0,04 AT : npn Transistor

−

−

−

+

−9VT

L1R

2R

B

E

BEU2U

1U

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

ϑ

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Erklärung:

A)

B)

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

ϑ

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CArbeitskre is

Steuerkreis

gU

ϑ

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3.2.5 Feuchtigkeitsmelder mit Transistor

Schaltskizze:

−

+

−9VT

L1R

2R

B

E

BEU2U

1U

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

1

2

R :Berührungs SensorR : regelbarer Widerstand10 kΩ

L : Glühlampe 4 V/0,04 AT : npn Transistor

−

−

Aufbau:

Funktion:

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Erklärung:

A)

B)

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CA rbe itsk re is

Steuerkreis

gU

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3.2.6 Trockenmelder mit Transistor

Schaltskizze:

−

+

−9VT

L1R

2R

B

E

BEU2U

1U

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

1

2

R : regelbarer Widerstand10 kΩR :Berührungs Sensor

L : Glühlampe 4 V/0,04 AT : npn Transistor

−

−

Aufbau:

Funktion:

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Erklärung:

A)

B)

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CArbeitskreis

Steuerkreis

gU

−

+

−9V

1R

2R

B

E

CA rbe itsk re is

Steuerkreis

gU

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