Big Bang Physik 6, Schulbuch

86  GG 6.2/G 6.2 Elektrizitätslehre/Elektrische Energie Formel: elektrischer Widerstand R = r ​ l  __  A ​ Ω … spezifischer Widerstand [ Ω m 2 /m] = [ Ω m] l … Länge des Leiters [m] A … Querschnitt des Leiters [m 2 ] Material spezifischer Widerstand [ Ω m 2 /m] spezifischer Widerstand [ Ω mm 2 /m] Silber 1,6 · 10 –8 1,6 · 10 –2 Leiter geringer Widerstand = große Leitfähigkeit Kupfer 1,7 · 10 –8 1,7 · 10 –2 Gold 2,4 · 10 –8 2,4 · 10 –2 Aluminium 2,8 · 10 –8 2,8 · 10 –2 Stahl 14 · 10 –8 14 · 10 –2 Kohlenstoff 3,5 · 10 −5 35 Germanium 0,42 4,2 · 10 5 Halbleiter Silizium 640 6,4 · 10 8 Glas 2 · 10 12 2 · 10 18 Isolatoren (Nichtleiter) großer Widerstand = geringe Leitfähigkeit Porzellan 5 · 10 12 5 · 10 18 Gummi 10 13 bis 10 15 10 19 bis 10 21 Tab. 23.5:  Spezifischer Widerstand bei 20 °C: Die Gradangabe ist wichtig, weil sich der Widerstand mit der Temperatur verändert. Tab. 23.5 zeigt den spezifischen Widerstand einiger Materia- lien. Je größer dieser ist, desto geringer ist umgekehrt die elektrische Leitfähigkeit. Kupfer ist einer der besten Leiter und wird daher für elektrische Leitungen verwendet (Abb. 23.23a). Silber leitet einen Tick besser, aber stell dir mal die Kosten vor ( F14 )! Überlandleitungen sind groß- teils aus Aluminium (Abb. 23.23b). Sein Widerstand ist 60% größer als der von Kupfer, und deshalb müssen bei glei- chem Widerstand die Leitungen dicker sein. Auf der ande- ren Seite hat Aluminium aber nur ein Drittel Kupferdichte. Deshalb sind die dickeren Aluleitungen immer noch leichter als die dünnen Kupferleitungen, und das ist viel weniger aufwändig. F Abb. 23.22:  Grafische Darstellung des Ohm‘schen Gesetzes für drei Widerstände: Je größer der Widerstand, desto flacher der Anstieg! Etwas Ähnliches solltest du bei deinen Experimenten heraus- bekommen haben ( Experiment: Auf Ohm’s Spuren, S. 85). Man kann die Materialien in drei Gruppen einteilen, deren spezifischer Widerstand sich um viele Zehnerpotenzen un- terscheidet. Der Widerstand von Leitern ist deshalb so gering, weil nur diese frei bewegliche Elektronen haben (Abb. 23.21, S. 85). In Halbleitern können sich bei höheren Temperaturen einige Elektronen ablösen, und sie beginnen schwach zu leiten – aber trotzdem rund eine Milliarde Mal schlechter als Leiter. Sie werden vor allem beim Bau von Mikrochips eingesetzt. In Isolatoren (Nichtleitern) gibt es praktisch keine freien Elektronen. Daher eignen sie sich hervorragend, um unerwünschte Stromflüsse zu unterbin- den ( F15 ). Die Spannung gibt an, welche Energie in einer Ladung steckt, die sich in einem Spannungsfeld befindet (siehe Kap 22.2, S. 76). Wenn die Ladung von selbst zum anderen Pol fließt, dann gibt sie diese Energie wieder ab. Je größer der Widerstand im Leiter, desto mehr Energie verliert die Ladung an dieser Stelle. Mit der Energie verliert sie aber auch an Spannung, weil U proportional W ist. Deshalb spricht man vom Spannungsabfall im Widerstand (Abb. 23.24). Dieser Spannungsabfall ergibt einen „elektri- schen Höhenunterschied“, den du dann mit dem Voltmeter messen kannst. Der gesamte Spannungsabfall (in diesem Fall die Spannung zwischen den Polen der Batterie) ent- spricht immer der Summe der einzelnen Spannungsabfälle (in diesem Fall in den Kupferkabeln und dem Prüfdraht). Abb. 23.23:  a) Leitungen sind aus Kupfer und von Isolatoren umgeben. b) Überlandleitungen bestehen aus einem Stahlkern, der von Alu- minium umgeben ist. Abb. 23.24:  „Aufgebogener“ Schaltkreis aus Abb. 23.20b, S. 85. Die Klemmspannung beträgt 10 V. Der Spannungsabfall in den dicken Kupferkabeln (a + c) ist fast zu vernachlässigen, im Prüfdraht ist er sehr groß (b). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv