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Grundlagen der Elektrizitätsleitung Leitungsvorgänge im Vakuum, Flüssigkeiten und Gasen; Halbleiter; Kalt- u. Heißleiter; Halbleiterdiode; Solarzellen; Brennstoffzellen; Widerstand; Widerstände im Stromkreis; Kondensator als Energiespeicher; Spezifischer Widerstand
Leiter, Halbleiter, Nichtleiter und Supraleiter
Die Grundlagen der Elektrizitätsleitung sind die Einordnung in leitende und nicht leitende Materialien. Man unterscheidet in der Schule drei und wissenschaftlich vier verschiedene Kategorien:
- Die Gruppe der Leiter. Hier finden sich alle Metalle und vereinzelte Nichtmetalle wie Graphit wieder. Die Materialien dieser Kategorie haben die Eigenschaft, bei Raumtemperatur gut elektrischen Strom zu leiten.
- Die Gruppe der Halbleiter besteht aus den Halbmetallen und deren Legierungen. Den Elementen dieser Gruppe ist gemein, dass die Materialien bei höheren Temperaturen elektrischen Strom leiten und bei niedrigen Temperaturen nicht.
- Die Gruppe der Nichtleiter, hier befinden sich alle Materialien, die keinen elektrischen Strom leiten.
- Die Gruppe der Supraleiter ist ein besonderer Fall. Bei dieser Gruppe kann der elektrische Widerstand unter besonderen Rahmenbedingungen auf Null reduziert werden.
Halbleiter und ihre Dotierung
Durch die Dotierung von Halbleitern, also das Einbringen von Elementen mit einem zusätzlichen oder fehlenden Valenzelektron in ein anderes Element, kann man einen Halbleiter in die Lage versetzten, bei Raumtemperatur bereits elektrischen Strom zu leiten. Man spricht hier von p- und n-Dotierung.
Beim Halbmetall Silizium wird häufig Phosphor oder Bor eingebracht, um die Dotierung zu erzeugen. Da der 5-wertige Phosphor ein Elektron mehr besitzt als das 4-wertige Silizium, wird das Metall damit negativ, also n-dotiert. Würde man das 3-wertige Bor als Dotierelement verwenden, wäre das Halbmetall positiv, also p-dotiert. Beide Dotierungen erhöhen die Leitfähigkeit des Siliziums, da hierbei entweder freie Elektronen oder freie Löcher entstehen.
Dioden
Dioden bestehen aus einem n- und einem p-dotierten Teil. Durch diesen Aufbau haben sie eine besondere und technisch sehr wichtige Eigenschaft: Sie sind nur von einer Richtung von elektrischem Strom passierbar. Ist der Pluspol einer Spannungsquelle mit der p-dotierten Seite der Diode verbunden, kann der elektrische Strom die Diode passieren. Ist der Pluspol der Spannungsquelle mit der n-dotierten Seite der Diode verbunden, ist die Diode für den elektrischen Strom gesperrt. Man spricht von der Durchlassrichtung und der Sperrrichtung einer Diode.
Elektrischer Widerstand
Eine physikalische Größe ist für die Elektrizitätsleitung von besonderer Bedeutung: der elektrische Widerstand. Hierbei unterscheiden sich die Leiter und Halbleiter nicht nur vom Material her, sondern auch in ihrem thermischen Verhalten. Mit steigender Temperatur leiten Leiter immer schlechter, während Halbleiter bis zu einem Grenzwert immer besser leiten. Theoretisch würden auch Nichtleiter bei gewaltigen Temperaturen beginnen, elektrischen Strom zu leiten.
Technische Anwendung der Elektrizitätsleitung
Anwendung findet die Elektrizitätsleitung besonders in der Transistortechnik, aber auch beim Bau von Solarzellen. Die Verwendung von Halbleitern wie Silizium machte das moderne Informationszeitalter erst möglich.