Bevor wir in die Elektronik einsteigen, wiederhole ich in diesem Beitrag einige Themen aus den Klassen 5 und 8. Es geht dabei um Leiter und Nichtleiter, den elektrischen Stromkreis, wie man die Stromstärke misst und den elektrischen Widerstand. Danach erkläre ich neue Inhalte: Dazu gehören wie Elektronen sich in metallischen Leitern bewegen und die Elektronengeschwindigkeit / Wirkungsgeschwindigkeit darin, außerdem der Umgang mit dem Zeigermultimeter.
Metallische Leiter und Isolatoren
Bereits in der 5. Klasse haben wir gesehen: Alle Werkstoffe haben folgende Eigenschaften:
Sie leiten den Strom oder sie leiten den Strom nicht. Die Materialien, die den Strom leiten, nennen wir Leiter. Die Materialien, die den Strom nicht leiten, nennen wir dagegen Isolatoren.
Leiterwerkstoffe
In der Elektronik verwendet man Leiterwerkstoffe zum Beispiel Kupfer und Aluminium.
Warum leiten Metalle gut? Schauen wir uns dazu einmal das Kristallgitter von Metallen an:
Metallatome verbinden sich zu gitterförmigen Gebilden mit sehr dichter Atomanhäufung, ähnlich wie zum Beispiel Apfelsinen in einer Kiste. Dabei gibt jedes Metallatom seine Valenzelektronen ab, es wird zum positivem Ion. Im Kristallgitter des Metalls sind die abgegebenen Valenzelektronen dabei frei beweglich. Man nennt sie deshalb auch freie Elektronen. Die freien Elektronen umschwirren die positiven Atomionen wie ein gigantischer Mückenschwarm.
Ein Kupferwürfel von 1 cm3 enthält etwa 1023 freie Elektronen. Stoffe, die eine hohe Anzahl freier Elektronen enthalten, nennt man elektrische Leiter.
Nichtleiter
Stoffe, die nur wenig freie Elektronen besitzen nennt man Isolatoren. Isolatoren sind in der Elektronik genauso wichtig wie Leiter.
Isolatoren sind zum Beispiel: Kunststoffe, Glas, Keramik, Gummi, Lacke, Öle, Glimmer, Asbest.
Beispiele für metallische Leiter und deren Schalenbesetzung:
Der elektrische Stromkreis
Nur wenn der Stromkreis geschlossen ist, kann der elektrische Strom fließen.
Spannungsquelle
Die Spannungsquelle ist als Ursache des elektrischen Stromes der wichtigste Bestandteil des Stromkreises.
Leitung
Leitungen dienen zum Stromtransport zwischen Spannungsquelle und Verbraucher. Wir unterscheiden dabei zwischen Hin- und Rückleitung.
Die Hinleitung transportiert dabei den Strom von der Spannungsquelle zum Verbraucher.
Die Rückleitung transportiert den Strom vom Verbraucher zur Spannungsquelle.
Verbraucher
Der Verbraucher wandelt die elektrische Energie in eine andere Energieform um (z.B. in Licht, Wärme, Bewegungsenergie).
Wie misst man die Stromstärke?
Wie kann man die Stärke eines Wasserstromes bestimmen?
Damit hatten wir uns bereits in der 8. Klasse beschäftig. Hier noch einam eine kurze Wiederholung:
Versuch
Wir lassen Wasser in ein Gefäß fließen. Dabei messen wir welches Volumen in welcher Zeit in den Behälter fließt. Ähnlich misst man die Stromstärke in einem Stromkreis.
Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A). Es gilt dabeo folgende Definition:
Die Stromstärke beträgt 1 A, wenn je Sekunde etwa 6,25 Trillionen Elektronen durch den Leiterquerschnitt fließen.
Der elektrische Widerstand
Wir bauen eine Messschaltung zur Bestimmung des elektrischen Widerstands.
Dies haben wir auch bereits in Klasse 8 gemacht. Deshalb hier wieder nur eine kurze Wiederholung:
Was heißt elektrischer Widerstand?
Fließt Strom durch einen metallischen Leiter, so bewegen sich die freien Elektronen zwischen den Atomen des Leiterwerkstoffs hindurch. Die Atome schwingen in alle Richtungen um ihre Ruhelage. Dadurch werden aber die freien Elektronen in ihrer Bewegung behindert. Jeder Leiter setzt also dem elektrischen Strom einen Widerstand entgegen, der durch die Spannung überwunden werden muss.
Soweit die Wiederholungen aus den Klassen 5 und 8. Nun kommen wir zu neuen Inhalten.
Wie bewegen sich Elektronen in metallischen Leitern?
Metallische Leiter enthalten eine Vielzahl freier Elektronen, die sich frei im Kristallgitter bewegen. Erst unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung bewegen sich diese Elektronen in eine bestimmte Richtung durch das Kristallgitter. Der Minuspol der Spannungsquelle treibt die Elektronen durch die Leitung über den Verbraucher zum Pluspol.
Zur Erinnerung:
Spannung entsteht in einer Spannungsquelle durch Ladungstrennung. Ist der Stromkreis geschlossen, so wollen sich die Ladungen wieder ausgleichen.
Elektronenrichtung:
Die Elektronen bewegen sich im Leiter vom Minus- zum Pluspol. Innerhalb der Spannungsquelle vom Plus- zum Minuspol. Die elektrische Spannung treibt die Elektronen durch den Stromkreis.
Elektronengeschwindigkeit / Wirkungsgeschwindigkeit:
Im Leiter bewegen sich die Elektronen mit geringer Geschwindigkeit (mm/s).
Die Wirkung pflanzt sich dagegen mit Lichtgeschwindigkeit fort (300.000 km/s).
Die kann man zum Beispiel demonstrieren, indem man Pingpongbällen oder Eisenkugeln in ein Rohr steckt und eine Kugel anstößt.
Technische Stromrichtung:
In der Technik wird die Stromrichtung von Plus nach Minus gezählt. Diese Vereinbarung wurde getroffen, als man noch nichts über Elektronen wusste. Die technische Stromrichtung wird auch konventionelle Stromrichtung genannt, sie ist auch heute noch verbindlich. Dies habe ich in einem Beitrag zur technischen Stromrichtung ausführlich erklärt.
Umgang mit dem Zeigermultimeter
- Wenn ihr nicht messt, stellt den Wahlschalter auf „0“ oder „off“!
- Bevor ihr messt, müsst ihr die richtige Spannungs- bzw. Strommessbereich wählen!
- Stellt denr Zeiger auf den Nullpunkt ein!
- Bevor ihr das Messgerät an den Stromkreis anschliesst, lsst die Einstellungen vom Lehrer überprüfen!
- Beim Anschluss an den Stromkreis muss die Polung stimmen.
- Lest den Messwert an der richtigen Skala ab!
- Die Ablesung erfolgt senkrecht von oben und zwar so, dass der Zeiger sich mit seinem Spiegelbild deckt.
- Dreht während der Messung nicht am Wahlschalter! Zieht vorher den Stecker.
Zeichenerklärung:
U heißt Spannung und wird in Volt gemessen
I heißt Strom und wird in Ampere gemessen
= heißt Gleichspannung / Strom
Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Elektronik, darin auch Links zu Aufgaben.