Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Polarisation von neutralen Körpern Warum werden ungeladene Körper von geladenen angezogen? Das lässt sich mit dem Teilchenmodell verstehen: Nähern wir z. B. einen positiven Glasstab einem neutralen Nichtleiter, so werden die Elektronen des neutralen Körpers angezogen und um Bruchteile von Atomdurchmessern gegen die Atomkerne verschoben. Da- durch wird der neutrale Körper auf einer Seite geringfügig negativ, auf der ande- ren Seite geringfügig positiv. Wegen des geringeren Abstands zieht der positive Glasstab die negativen Ladungen stärker an als die positiven abgestoßen werden. Es ergibt sich insgesamt eine Anziehung zwischen dem geladenen und dem neu- tralen Körper. „Polare“ Moleküle, wie z. B. Wasser, haben durch ihre Struktur eine positive und eine negative Seite und drehen sich unter dem Einfluss elektrischer Kräfte, wodurch wieder Anziehung auftritt ( 72.4 ). Die Verschiebung von Ladungen in einem neutralen Nichtleiter unter dem Einfluss eines geladenen Körpers wird Polarisation genannt. Leiter und Isolatoren In den frühen Experimenten zur Elektrizität wurde bald erkannt, dass manche Stoffe Elektrizität gut weiterleiteten, andere hingegen nicht. Die Begriffe elektrischer Leiter und Isolator sind dir sicher bekannt. Wir wollen sie im Rahmen des Teilchenmodells – Atome bestehen aus positivem Atomkern und negativer Elektronenhülle (s. Physik 5, S. 76) – vertiefen. Damit ein Stoff elektrisch leitend ist, muss er frei bewegliche Ladungsträger (Elektronen, Ionen) enthalten. Feste Körper werden durch elektrische Kräfte zwi- schen ihren Bestandteilen (Atome, Moleküle, Ionen) zusammengehalten, den Kitt bilden Elektronen der Hüllen. Entscheidend für elektrische Leitfähigkeit ist, wie leicht Elektronen ihren Platz für andere Elektronen freigeben können. In Isolatoren sind die Elektronen nicht frei beweglich. Isolatoren haben unter- schiedliche Strukturen – sie können Kristalle sein wie der Diamant oder struk- turlos wie Glas oder Harz (Bernstein). Im Kristall Diamant ist jedes Atom durch je ein gemeinsames Elektronenpaar an jeden seiner vier Nachbarn gebunden. Ein anderes Beispiel für einen Isolator ist Steinsalz (NaCl; 72.1 ), bei dem die gegensei- tige Anziehung der Ionen Na + und Cl – das Wandern von Ladungsträgern verhin- dert. Elektrische Leiter besitzen frei bewegliche Ladungsträger, Elektronen oder Io- nen. Elektrische Leiter können fest, flüssig oder gasförmig (Plasma) sein. Metalle sind bei normalen Temperaturen feste Körper, nur Quecksilber ist flüssig. Metallatome geben äußere Elektronen ihrer Atomhülle leicht ab und werden da- durch positive Ionen. Die Elektronen können sich durch das gesamte Gitter der Ionen bewegen. Sie sind nicht mehr an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern können sich im Metall frei bewegen: Als „Leitungselektronen“ verteilen sie sich gleichmäßig über den metallischen Körper. Alle metallischen Leiter sind her- vorragende elektrische Leiter. Bei reinen Halbleitern , wie etwa Silicium oder Germanium, sind die Elektronen fester an die Atome gebunden. Erst wenn Energie z. B. durch eine Erhöhung der Temperatur zugeführt wird, werden Elektronen frei beweglich. In technischen Halbleitern wird die Leitfähigkeit durch den Einbau einer kleinen Zahl sog. Fremdatome erreicht, die z. B. wie Phosphor Elektronen leicht abgeben. Elektrolyte sind Flüssigkeiten, die frei bewegliche Ionen (dies sind geladene Ato- me oder Moleküle) besitzen. Sie leiten elektrische Ladungen ebenfalls sehr gut. Im festen Steinsalz halten Na-Ionen und Cl-Ionen durch Ionenbindung zu- sammen, In Wasser löst sich die Bindung, positive Na-Ionen und negative Cl-Ionen ermöglichen den Transport von elektrischen Ladungen. Ein Plasma ist ein Gas, das freie Elektronen und positive Ionen enthält. Durch elektrische Kräfte werden vor allem die leichten Elektronen stark be- schleunigt. Wenn sie mit Atomen oder Ionen zusammenstoßen, übertragen sie Energie und können dadurch das Gas leuchten lassen. Na -Ion + -Ion – Cl 72.1 Steinsalzkristall. Natrium ist ein Me- tall und gehört zur ersten Hauptgruppe im Periodensystem. Es gibt leicht sein äußerstes Elektron ab. Chlor gehört zur 7. Hauptgruppe. Es nimmt das von Natrium abgegebene Elek- tron auf. Positive Natrium-Ionen und negati- ve Chlor-Ionen ziehen einander an. Im Steinsalzkristall ist jedes Natrium-Ion von 6 Chlor-Ionen umgeben (und umgekehrt). freies Elektron positives Ion 72.2 Metallbindung. Einige Elektronen bewegen sich frei zwischen den positiven Metallionen. 72.3 In der Plasmakugel führen hohe Span- nungen zu elektrischen Entladungen und zu faszinierenden Leuchterscheinungen. 72.4 Ein geladener Kamm zieht einen Wasserstrahl an. 72 E-LEHRE Nur zu P üfzwecken – Eigentum des Verlags öbv