Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Temperaturabhängigkeit des Widerstands Bei Halbleitern sinkt in der Regel der Widerstand beim Erwärmen, weil bei höhe- rer Temperatur die Atome des festen Halbleiters leichter Elektronen abgeben und dadurch mehr Ladungsträger für die Stromleitung verfügbar sind. Bei metallischen Leitern steigt der Widerstand bei Erhöhung der Temperatur. Umgekehrt sinkt der Widerstand von Metallen, je tiefer die Temperatur wird. Bei sehr tiefen Temperaturen verlieren viele Metalle ihren elektrischen Widerstand zur Gänze. Man nennt dieses Phänomen Supraleitung. Supraleitende Stromspu- len sind wesentlicher Bestandteil von Magnetresonanztomografen (MRT). Diese ermöglichen eine Untersuchung des Körperinneren ohne Eingriff und – im Ge- gensatz zur Röntgenuntersuchung – ohne ionisierende Strahlung. Die größte Anlage mit supraleitenden Spulen stellt jedoch der Beschleuniger LHC am CERN dar: mehr als 1 200 supraleitende Spulen mit je 15 m Länge werden auf eine Temperatur von ‒ 271 o C gekühlt – dadurch kann der Strom ohne Wider- stand fließen, wodurch Kosten für den Strom eingespart werden. ? Antwort auf die Einstiegsfrage Ab 1877 befasste sich T HOMAS A LVA E DISON (1847–1931) mit der Glühlampe. Er experi- mentierte mit Pappe, Holz, Seidenfasern und Baumwolle, die er passend zuschnitt und anschließend verkohlte. 1879 hatte er eine Lampe mit Glühfaden aus Bam- busfasern fertiggestellt, die 2 Tage leuchtete. Als Edison die verkohlten Fasern mit Kohlenwasserstoff haltbar machte, erreichte er 300 Brennstunden und mehr. Edison erfand auch die Schraubfassung, die heute noch verwendet wird. Die Metallfadenlampe wurde 1898 vom österreichischen Chemiker und Erfinder C ARL A UER VON W ELSBACH (1858–1929) zum Patent angemeldet. Ihre dünne Wolfram- wendel in einem mit Stickstoff oder Edelgas (Argon, Krypton) gefüllten Glaskol- ben wird durch den Stromfluss ca. 2 500 °C heiß und weißglühend. Der Draht ist nur ca. 0,03 mm dick, hat eine Länge von etwa einem Meter und ist gewen- delt. Der Strom wird über den Sockel- und den Fußkontakt zugeführt. In den Glaskolben darf kein Sauerstoff gelangen, da die Wolframwendel verbrennen würde. Aus dem feinen Wolframdraht dampfen Atome ab, so dass der Draht immer dünner wird und nach etwa 1 000 Betriebstunden „durchbrennt“. Da die Glühlam- pe nur etwa 5% der zugeführten elektrischen Leistung in Licht umwandelt und ca. 95% als Wärme abgibt, wird sie nun nach über 100 Jahren durch effizientere Lichtquellen ersetzt. Die Halogenlampe ist eine Glühlampe, bei der das Füllgas einen Halogenzusatz (Iod) enthält. Von der Glühwendel abgedampfte Wolframatome bilden mit Iod eine chemische Verbindung, die an der heißen Glühwendel wieder zerfällt und dort Wolframatome abscheidet. Dadurch verdoppelt sich die Lebensdauer der Lampe. Der Glühfaden ist heißer, dadurch ist die Lichtausbeute besser. Ab 2009 wurde der Vertrieb von Glühlampen (ausgenommen Halogenlampen) in Europa verboten. Kurzfristig wurden sie durch sog. Energiesparlampen ( Kompakt-Leuchtstofflampen ) ersetzt, die jedoch Quecksilber enthalten und da- durch die Umwelt gefährden. Quecksilberfrei sind die LED-Lampen . Gegenüber ei- ner gleich hellen Glühlampe sparen sie etwa 85% an Energie. LED-Lampen, die 230V -Glühlampen ersetzen, enthalten im Sockel ein Elektronik-Netzgerät und dür- fen nicht als Hausmüll entsorgt werden. Teste dein Wissen W 1 86.1 Wie lautet das Ohm’sche Gesetz? Interpretiere es verbal! a) U = I / R b) I = U · R c) I = U / R 86.2 Was versteht man unter Supraleitung? a) Besonders gut leitende Metalle bei Zimmertemperatur. b) Elektrische Leiter mit sehr kleinem Widerstand bei 0 °C. c) Elektrische Leitung ohne Widerstand unterhalb einer bestimmten, sehr tiefen Temperatur. 2500 2000 1500 1000 500 0 20 40 60 80 100 Temperatur in °C  Widerstand in R  Halbleiter Metall 86.1 Temperaturabhängigkeit des Widerstands bei Metallen und Halbleitern. 86.2 Supraleiter: Unterhalb der „Sprungtempe- ratur“ wird der Widerstand null. Magnetfelder werden aus dem Supraleiter verdrängt, daher schwebt der Magnet über dem kalten Supralei- ter. 86.3 T HOMAS A LVA E DISON entwickelte die Kohlen- fadenlampe. Mit der heute noch üblichen Schraubfassung wurde die Glühlampe pra- xistauglich. Er errichtete in New York das erste E-Werk samt Leitungsnetz. Edison war ein ge- nialer Erfinder und meldete über 1 300 Patente an, darunter auch die Tonaufzeichnung auf Walzen aus Wachs (Phonograph). 86.4 Der Faden einer Wolfram-Glühlampe ist eine doppelt gewendelte Drahtspirale. 86 E-LEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv