Wichtige Definitionen: Elektrizität, Magnetismus & Halbleiter

Grundlagen der Elektrostatik und Elektrizität

Isolator (Isolation)

Ein Material, das keine freien Ladungsträger besitzt, durch die elektrische Ladung leicht fließen könnte.

Elektrisches Feld

Die Kraft pro Ladungseinheit. Es kann als eine „Aura“ um ein geladenes Objekt betrachtet werden und speichert Energie. Um einen geladenen Körper nimmt das Feld mit der Entfernung gemäß dem inversen Quadratgesetz ab. Zwischen entgegengesetzt geladenen parallelen Platten ist das Feld homogen.

Kondensator

Ein elektrisches Bauteil, bestehend aus zwei parallelen Leiterplatten, die durch einen kleinen Abstand getrennt sind und elektrische Energie sowie Ladung speichern.

Elektrischer Leiter

Material, das freie elektrische Ladungsträger enthält, die sich leicht durch das Material bewegen können, wenn eine Kraft auf sie einwirkt.

Erhaltung der Ladung

Die elektrische Ladung kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Die Gesamtladung vor einer Wechselwirkung entspricht der Gesamtladung danach.

Coulomb (C)

SI-Einheit der elektrischen Ladung. 1 C entspricht der Ladung von etwa 6,25 x 10¹⁸ Elektronen.

Elektrische Polarisation

Ein Begriff für ein Atom oder Molekül, bei dem die Ladungen so ausgerichtet sind, dass eine Seite einen leichten Überschuss an positiver Ladung und die andere Seite einen leichten Überschuss an negativer Ladung aufweist.

Definition Elektrizität

Ein allgemeiner Begriff zur Bezeichnung elektrischer Phänomene, ähnlich wie Gravitation für Gravitationsphänomene oder Soziologie für soziale Phänomene.

Elektrostatik

Die Untersuchung elektrischer Ladungen in Ruhe (im Gegensatz zu bewegten Ladungen, d.h. elektrischen Strömen).

Elektrische Potenzielle Energie

Die Energie, die ein geladenes Objekt aufgrund seiner Position in einem elektrischen Feld besitzt.

Coulomb-Gesetz

Beschreibt die Beziehung zwischen der elektrischen Kraft, der elektrischen Ladung und dem Abstand zwischen den Ladungen.

Elektrisches Potenzial (Spannung)

Die elektrische potenzielle Energie pro Ladungseinheit, gemessen in Volt. Wenn Ladungen gleiches Vorzeichen haben, ist die Kraft abstoßend; bei unterschiedlichen Vorzeichen ist die Kraft anziehend.

Spannung (Volt)

Elektrische potenzielle Energie geteilt durch die Menge der Ladung.

Spezialmaterialien: Halbleiter und Supraleiter

Halbleiter und Transistoren

Material, das sich manchmal wie ein Leiter und manchmal wie ein Isolator verhält. Dünne Schichten von Halbleitermaterialien, die übereinander angeordnet sind, bilden die Transistoren. Diese dienen als digitale Schalter zur Steuerung des Stromflusses in Schaltkreisen, zur Erkennung und Verstärkung von Funksignalen sowie zur Erzeugung von Schwingungen in Sendern.

Supraleiter

Leiter mit einem Widerstand von Null (unendliche Leitfähigkeit). Dieses Phänomen tritt bei sehr tiefen Temperaturen auf.

Magnetismus und Erdmagnetfeld

Magnetfeld

Der Bereich um einen Magnetpol oder ein bewegtes geladenes Teilchen, in dem magnetische Kräfte wirken. Es wird durch die Bewegung elektrischer Ladung erzeugt. Das Magnetfeld ist ein relativistisches Nebenprodukt des elektrischen Feldes. Außerhalb eines Magneten verläuft die Richtung des Feldes vom Nordpol zum Südpol.

Magnetische Domänen

Regionen, in denen die magnetischen Momente der Atome ausgerichtet und gruppiert sind. Wenn diese Regionen (Domänen) miteinander ausgerichtet sind, enthält die Substanz einen Magneten.

Elektromagnet

Ein Magnet, dessen Feld durch elektrischen Strom erzeugt wird. Normalerweise besteht er aus einer Drahtspule mit einem Eisenkern im Inneren. Seine Stärke wird durch die Erwärmung der stromdurchflossenen Spulen begrenzt.

Magnetische Kraft

1. Zwischen Magneten: Die gegenseitige Anziehung ungleicher Magnetpole und die gegenseitige Abstoßung gleicher Magnetpole.
2. Auf bewegte Ladungen: Eine ablenkende Kraft, die auf ein geladenes Teilchen wirkt, das sich in einem Magnetfeld bewegt. Diese ablenkende Kraft steht senkrecht zur Geschwindigkeit des Teilchens und senkrecht zu den magnetischen Feldlinien. Sie ist am größten, wenn sich die Ladung senkrecht zu den Feldlinien bewegt, und Null, wenn sie sich parallel zu ihnen bewegt.

Kosmische Strahlung

Protonen und andere Atomkerne, die im Universum vorkommen. Einige davon werden an den äußeren Grenzen des Erdmagnetfelds eingefangen und bilden die Van-Allen-Strahlungsgürtel. Das Bombardement der kosmischen Strahlung ist an den magnetischen Polen am stärksten.

Van-Allen-Strahlungsgürtel

Zwei ringförmige, torusartige Bereiche, die die Erde umgeben und geladene Teilchen einfangen.

Aurora (Polarlichter)

Entsteht durch Störungen des Erdmagnetfelds, wodurch Ionen in die Atmosphäre eindringen und diese zum Glühen bringen, ähnlich einer Leuchtstoffröhre.

Wichtige Fakten zu Magnetismus und Ladung

• Im Gegensatz zu elektrischen Ladungen können magnetische Pole nicht isoliert werden (keine magnetischen Monopole).
• In gewöhnlichen Magneten wird das Magnetfeld durch die Spinbewegung der Elektronen erzeugt.
• Ein Paar von Elektronen, die sich in die gleiche Richtung drehen, bildet einen stärkeren Magneten. Drehen sie sich in entgegengesetzte Richtungen, heben sich ihre Magnetfelder auf.
• Die häufigsten Magnete bestehen aus Legierungen von Eisen, Nickel und Kobalt.