Elektrische Ladungen, Leiter und Isolatoren: Grundlagen der Elektrizität

Grundlagen der elektrischen Ladung und Aufladung

Das Material enthält zwei Arten von elektrischen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen: positive und negative. In der Regel sind Körper elektrisch neutral. Einige physikalische Prozesse können dazu führen, dass sie elektrische Ladungen gewinnen oder verlieren und somit elektrisch aufgeladen werden. Diese Prozesse sind:

• Aufladung durch Reibung
• Aufladung durch Induktion
• Aufladung durch Kontakt

Aufladung durch Reibung

Elektrische Phänomene durch Reibung werden oft im Alltag beobachtet. Man sieht, dass sich Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens anziehen und gleiche Ladungen abstoßen. Wenn zwei Körper aneinander gerieben werden, werden einige Elektronen von einem Körper auf den anderen übertragen. Der abgebende Körper wird positiv geladen, während der empfangende Körper negativ geladen wird. Protonen sind am Prozess nicht beteiligt, da sie sich im Atomkern befinden.

Leiter und Isolatoren

Metalle ermöglichen den Transport elektrischer Ladungen und werden daher als Leiter bezeichnet. Materialien, die den Durchgang elektrischer Ladungen verhindern, nennt man Isolatoren. Dazwischen liegen die Halbleiter wie Silizium und Germanium, aus denen Dioden, Transistoren und Chips hergestellt werden.

Aufladung durch Induktion

Ein Beispiel für Induktion ist, wenn man einen Stift reibt und dieser dann Papier anzieht. Durch das Annähern des geladenen Stifts an das Papier werden Ladungen im Papier umgelagert: Ladungen gleichen Vorzeichens werden abgestoßen, während Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens angezogen werden.

Warum sind manche Stoffe gute elektrische Leiter wie Kupfer?

In der Natur gibt es Stoffe, die mehr freie Elektronen im Leitungsband besitzen als andere. Die Eigenschaft bestimmter Stoffe, freie Elektronen im Leitungsband zu besitzen, nennt man Leitfähigkeit. Diese Materialien können unter dem Einfluss äußerer Kräfte Elektrizität leiten.

Im Falle von Metallen wie Kupfer sind die Elektronen in der äußersten Schale vom Kern gelöst und besitzen eine hohe Beweglichkeit, was sie zu exzellenten Leitern macht. Gold ist zwar ein noch besserer Leiter, wird aber aufgrund seiner hohen Kosten seltener verwendet.

Warum sind andere Stoffe schlechte elektrische Leiter wie Glas?

Schlechte Leiter sind Materialien, bei denen die Elektronen fest an ihre Kerne gebunden sind und sich daher nicht frei durch das Material bewegen können, um Strom zu leiten. Sie werden üblicherweise als Isoliermaterialien verwendet. Gute Isolatoren sind beispielsweise Luft, Porzellan und Glas.

Was macht den Unterschied zwischen Leitern und Isolatoren aus?

Der Unterschied zwischen einem Leiter und einem Isolator ist eher gradueller Natur, da alle Stoffe Elektrizität in mehr oder weniger starkem Maße leiten können. Bei leitfähigen Stoffen sind die äußeren Elektronen nur schwach an den Kern gebunden und weisen eine größere Mobilität auf, was bei Metallen der Fall ist. Bei isolierenden Substanzen halten die Kerne ihre Elektronen fest, wodurch deren Mobilität stark eingeschränkt ist. Ein guter elektrischer Leiter wie Silber oder Kupfer kann eine um das Milliardenfache höhere Leitfähigkeit als ein guter Isolator wie Glas oder Glimmer aufweisen.

Energiebänder und Ladungsspeicherung

Energiebänder verstehen. In einem Atom bewegen sich die Elektronen um den Kern in verschiedenen Schalen. Die Energie, die ein Elektron in jeder Schale besitzt, ist unterschiedlich. In den Schalen, die dem Kern sehr nahe sind, ist die Anziehungskraft stark, sodass die Elektronen fest gebunden sind. Das Gegenteil gilt für die weiter außen liegenden Schalen, wo die Elektronen lockerer gebunden und somit leichter austauschbar sind.

Die Tatsache, dass Elektronen in einem Atom unterschiedliche Energieniveaus haben, führt dazu, dass wir sie nach ihrem Energieniveau (oder Energieband) klassifizieren. Die für das Verständnis des atomaren Verhaltens wichtigsten Bänder sind das Valenzband und das Leitungsband.

Valenzband

Das Valenzband ist ein Energieniveau, das durch chemische Bindungen entsteht. Die Elektronen in diesem Band können von einem Atom zum anderen übertragen werden, wodurch Ionen entstehen, oder sie können von mehreren Atomen geteilt werden, um Moleküle zu bilden.

Betrachten wir das Natriumatom (Na) mit 11 Elektronen (2 in der ersten Schale, 8 in der zweiten und 1 in der dritten) und das Chloratom (Cl) mit 17 Elektronen (2 in der ersten, 8 in der zweiten und 7 in der dritten). Da alle Atome danach streben, 8 Elektronen in der äußeren Schale zu haben (Oktettregel), wird Natrium sein einzelnes äußeres Elektron abgeben, sodass es 8 Elektronen in der äußeren Schale besitzt. Chlor wird dieses Elektron aufnehmen, um ebenfalls 8 Elektronen in seiner äußeren Schale zu erreichen.