Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Hinweis zur Sprache Im Englischen wird für die physikalische Eigenschaft, dass ein Körper einen elektrischen Widerstand hat, das Wort resistance verwendet, während für den Widerstandsbauteil das Wort resistor verwendet wird. Leider hat sich im Deutschen diese Unterscheidung nicht entwickelt und daher werden in schlampiger Sprechweise Bauteil, physikalische Eigenschaft und deren Wert mit demselben Wort Widerstand bezeichnet – was gemeint ist, ist meist aus dem Zusammenhang klar. Gültigkeitsgrenzen des Ohm’schen Gesetzes Experiment: Spannung und Stromstärke 2 85.1 E 2 Wiederhole die Messung von Experiment 84.1 mit einem Glühlämpchen. Fasse die Ergebnisse zusammen. Auch wenn das Ohm’sche Gesetz U = I · R in der Praxis sehr nützlich ist, sollte man wissen, dass es nur unter speziellen Bedingungen gilt und keineswegs ein Natur- gesetz darstellt. Es gilt sehr gut bei metallischen Leitern, wenn die Temperatur praktisch konstant ist. Es versagt aber, wenn die Temperatur sich stark ändert. Man behilft sich dann mit der Angabe, bei welcher Temperatur der Widerstand gemessen wird. Beispielswei- se beträgt der Widerstand des Glühdrahts einer 230V/40W -Glühbirne bei 20 o C ca. 70 Ω , im Betrieb bei über 2 000 o C ca. 1 320 Ω , also fast zwanzigmal mehr. Der Wi- derstand von Kupfer (Leitungen im Haushalt) nimmt von 0 o C auf 50 o C um 20% zu! Sogenannte Schichtwiderstände ( 85.2 ) sind Elektronikbauteile mit geringer Temperaturabhängigkeit. Viele andere Bauteile der Elektronik beruhen auf sog. Halbleitern (s. Physik 7). Sie haben keinen festen Widerstandswert, da ihre Eigen- schaften wesentlich von den angelegten Spannungen abhängen. Widerstand metallischer Leiter Von welchen Eigenschaften eines metallischen Drahtes könnte sein Widerstand abhängen? Zunächst fragen wir uns, wie elektrischer Widerstand in einem Metall zustande kommt. Dazu benutzen wir das Teilchenmodell der Materie. Metalle sind sehr gute Leiter. Sie bestehen aus kleinen Kristallen. Die Atome bilden eine regelmäßige Anordnung, das Kristallgitter. Metalle halten zusammen, weil jedes Atom ein oder mehrere Elektronen an das „Elektronengas“ abgegeben hat, das zwischen den Atomrümpfen (Metall-Ionen) verteilt ist. Jedes Elektron gehört nun nicht mehr nur einem einzigen Ion, sondern gleichzeitig allen. Die elektrische Anziehung zwischen den positiven Ionen und dem negativen Elektronengas hält das Metall zusammen. Die frei beweglichen Elektronen sorgen für die gute elektri- sche Leitfähigkeit. Legt man nun eine elektrische Spannung an, werden die Elektronen in eine Rich- tung beschleunigt: Aber bald stoßen sie an ein Metall-Ion, sie werden abgelenkt und übertragen Energie auf das Ion, das dadurch heftiger um seinen Platz im Kris- tallgitter schwingt. Das bedeutet eine stärkere Wärmebewegung der Ionen, das Metall wird wärmer (s. Physik 5). Man kann daher vermuten, dass auch die Kris- tallstruktur eine wichtige Rolle für den elektrischen Widerstand spielt. Daher er- warten wir Unterschiede zwischen verschiedenen Metallen. Die anderen Einflussgrößen hängen mit der Geometrie des Drahts zusammen. Je größer der Querschnitt A , desto mehr Elektronen fließen bei gleicher Spannung durch den Querschnitt. Je länger der Draht ist, desto mehr Hindernisse finden die Elektronen vom Anfang zum Ende des Drahts vor. Dies führt zum Ansatz R = ρ · l _ A , wobei l die Drahtlänge ist. ρ nennt man den spezifischen Widerstand . Er hängt vom Leitermaterial ab und muss durch Messungen bestimmt werden. Silber und Kupfer leiten Strom am besten. Daher bestehen die Stromzuführungen in allen Geräten und die Installationsleitungen aus Kupferdrähten. 350 300 250 200 150 100 50 0 50 100 150 200 250 R = konst R = konst Kohlefaden Wolframwendel Spannung in V U Stromstärke in mA I 260 230 85.1 U-I- Diagramm für eine 60W-Glühlampe mit Wolframfaden, bzw. mit Kohlefaden. Mit zu- nehmender Spannung werden die Glühfäden wärmer. Interpretiere die Kurven! 85.2 Schichtwiderstände bestehen aus einer dünnen Kohle- oder Metallschicht über einem Keramikkern. Ihr Widerstand ist kaum temperaturabhängig. Ihr Widerstandswert wird durch die Farbringe angegeben. Material ρ [ Ω m] Leitung Silber 1,6·10 ‒ 8 Metall Kupfer 1,7·10 ‒ 8 Metall Gold 2,3·10 ‒ 8 Metall Aluminium 2,7·10 ‒ 8 Metall Stahl 1,1·10 ‒ 7 Metall Quecksilber 1·10 ‒ 6 Metall Konstantan 5·10 ‒ 6 Metall Graphit 3,3·10 ‒ 5 leitend in einer Ebene Silicium (rein) 4·10 3 Halbleiter Diamant 1·10 4 Nichtleiter Glas 2·10 12 Nichtleiter Porzellan 5·10 12 Nichtleiter Gummi > 10 13 Nichtleiter 85.3 Spezifischer Widerstand bei 20 °C. 85 | E-LEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv