14.4 Stromleitung — die wichtigsten Arten

Quelle: Mitschrift §5.1.4

Metall: Beim Festwerden geben die Atome ihre äußersten Elektronen ab → frei bewegliche Leitungselektronen („Elektronengas"); die positiven Atomrümpfe (Atom ohne diese Außenelektronen) ordnen sich in einem regelmäßigen Gitter an, das Ganze hält durch deren gegenseitige Anziehung zusammen.

✎ Warum leitet Metall so gut? — die Idee Schritt für Schritt.

1. Die abgegebenen Elektronen sind nicht mehr an ein einzelnes Atom gebunden, sondern bewegen sich frei durch das ganze Gitter (wie ein Gas zwischen den Atomrümpfen) — daher „Elektronengas".
2. Legt man eine Spannung an, entsteht im Leiter ein elektrisches Feld, das auf jedes (negative) Elektron eine Kraft ausübt → die Elektronen driften alle in dieselbe Richtung.
3. Strom = Menge bewegter Leitungselektronen pro Zeit. Anschaulich: Das Elektron am Minuspol „stößt" das nächste an (sie stoßen sich gegenseitig ab) — das Signal läuft fast lichtschnell durch, obwohl die einzelnen Elektronen selbst nur langsam driften (wie Kugeln in einem vollen Rohr: schiebt man hinten eine rein, fällt vorne sofort eine raus).

Weitere Arten (Themenpool): Elektrolyt (Ionenleitung in Flüssigkeiten), Gas (Gasentladung, z. B. Blitz, Leuchtröhre), Halbleiter (dotiertes Si/Ge, Elektronen- und „Löcher"-Leitung — Diode, Transistor, Solarzelle), Vakuum (Glühelektronen), Supraleiter (siehe 14.8).

✎ Das Gegenstück sind Isolatoren: Sie haben keine freien Ladungsträger (weder freie Elektronen noch bewegliche Ionen) und leiten bei üblichen Spannungen nicht; bei sehr hoher Spannung können sie aber „durchschlagen" und leitend werden — z. B. wird Luft beim Funken der Influenzmaschine oder beim Blitz ionisiert. ✎ Detail zum Elektrolyten: negative Ionen wandern zum Pluspol, positive Ionen zum Minuspol — beide Ladungsträgersorten leiten gleichzeitig.

Zwei Stromrichtungen: technische Richtung (+ → −, historisch, falsch) und physikalische Richtung (− → +, Bewegung der Elektronen, richtig).

✎ Nachfrage: Die technische Richtung ist bekanntlich „falsch" — warum verwendet man sie trotzdem weiter? Die Konvention ist älter als die Entdeckung des Elektrons: Man hielt den Strom für eine Flüssigkeit („Stromflüssigkeit"), die natürlich vom „Überschuss" (+) zum „Mangel" (−) fließt — die Leidener Flasche wurde gerade deshalb als Flasche gebaut. Erst mit der Entdeckung des Elektrons 1897 wusste man, dass sich im Metall in Wahrheit negative Elektronen bewegen (− → +). Da waren aber alle Schaltpläne und Normen längst auf + → − aufgebaut; und für die Berechnung von Stromkreisen macht es keinerlei Unterschied (negative Ladung in die eine Richtung = gleich viel positive Ladung in die andere). Deshalb behielt die Technik die alte Konvention.