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Elektrische Leitung1. Leitungsmechanismen Bändermodell2. Ladungstransport in Festkörpern

i) Temperaturabhängigkeit Leiterii) Eigen- und Fremdleitung in Halbleiterniii) Stromtransport in Isolatoreniv) Fotoleiter

3. Stromtransport in Gaseni) Erzeugung von Ladungsträgernii) Unselbständige Entladungiii) Selbständige Entladung

4. Stromtransport in Flüssigkeiteni) Ionenleitung in Flüssigkeitenii) Faradaysche Gesetzeiii) Elektrolyse und weiter Anwendungen

Ladungstransport in GasenSpannung an PlattenkondensatorEs fließt kein Strom durch die Luft, Luft ist ein guter Isolator oder schlechter Leiter

020

kV

1 0

Netz Hoch-spannung

kV0 16 kV

0,00 VPM 2535

Input

Output

0 .00

CFC-N12-1

Tisch E F1

Tisch F E1

Im Tisch E eingebaut

Koaxial - Kabel

Gerät 4; im Tisch F eingebaut

10-7 A

Röntgenkugel

Kerze bzw. Röntgenstrahlung lösen Stromfluss aus

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Ladungstransport in Gasen

Gasatome müssen in Ionen und Elektronen aufgespaltet werden (Ionisation): Gemisch von Ionen und Elektronen Plasma

Zufuhr von Energie zur Ablösung eines Elektrons Ionisationsmechanismen:– Photoionisation– Stoßionisation– Temperaturionisation– Radioaktivität– Glühemission (nur Elektronen treten aus Metallflächen bei hoher

Temperatur aus)Aber: Ionen und Elektronen können auch wieder rekombinieren

Woher kommen die freien Ladungsträger in der Luft, bzw. einem Gas?

PhotoionisationLeitungsband

E

Valenzband

hν∆E

Photoleiter:Elektron wird vom Valenz- insLeitungsband angehoben wennhν > ∆Eund trägt so zur Leitfähigkeit bei

hν

PhotoionisationElektron wird Energie hν zugeführtWenn hν > Ionisierungsenergie Wion

ein positiv geladenes Atom (Ion)negativ geladenes freies Elektron(hat mit Atom nichts mehr zu tun)Ion und Elektron tragen zu Strom bei

Wenn hν < Wionkein Ion, angeregtes Atom kein Beitrag zu Strom

hν> Wion

hν < Wion

Röntgenstrahlung hν~30keV >> Wion ~1..30eV

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Ionisationsenergie

Ionisationsenergie ist elementspezifischbestimmt durch Schalenaufbau der Atomhülle

Stoßionisation

Atom Atom+ bzw. Ion

Ladungsträger (Elektronen, Ionen) werden im Feld beschleunigtInelastischer Stoß mit Neutralteilchen

Elektronen werden herausgeschlagen (Wkin > Wion)Atom wird ionisiert

Wkin

4

Temperaturionisation

30 000K10 000K

Ionisatíonsgrad von Gasen in Abhängigkeit von der Temperatur

Bei hohen Temperaturen (hohe Geschwindigkeit)genug kinetische Energie um bei Zusammenstoß zu ionisieren

T = 5000K Oberfläche der Sonne 10-4 ter Teil von H-Atomen ionisiertKerze in Plattenko: Temperatur zu niedrig, aber Ionen in Flamme

Ladungstransport in Gasen

Atome werden durch äußere Einwirkungen ionisiert

Leitung erfolgt durch Ionen bzw. freie Elektronen

Strom = Anzahl x Ladung x Beweglichkeit x E-feld x FlächeI = n z e µ E A

Beweglichkeit [cm2/Vs]Na+ 1.3Na- 1.8O2

+ 2.2

Ionen im Wasser 10-4

Elektronen im Halbleiter 103

Elektronen im Metall 10

Festkörper > Beweglichkeit Gas >> Flüssigkeit

Strom aber so gering, weil n sehr klein

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Unselbständige Gasentladung

z. B. Einfallende ionisiernde Strahlung(N Photonen) erzeugt Np Ladungsträger

Ladungsträger für Stromfluss in Gas durch äussere Einwirkung erzeugt

Spannung wird angelegt und verändert

Was passiert?

Wie ändert sich der Strom mit der Spannung?

Anode Kathode

Ionisation

A U

Spannungsabhängigkeit

N/Np

Ohmscher Bereich1

Ohmscher Bereich -Rekombinationsbereich:niedere Spannung: kleine Beschleunigung Ladungsträger langsam, viele rekombinieren bevor sie zur Leitung beitragen

Sättigungsbereich:Beschleunigung stärker, alle erzeugten Ladungsträger tragen zu Leitung bei

Ladungen werden im E-Feld zu Elektroden beschleunigt

Was passiert bei noch höheren Spannungen?

N/Np > 1 mehr Ladungsträger gemessenals erzeugt

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IonsationskammerMessung der Stärke einer ionisierenden Strahlung

Im Sättigungsbereich gilt für den Strom I

I ∝ Anzahl der erzeugten Ladungsträger Np = Anzahl der ionisierenden Partikel

GasentladungWas passiert im Auslösebereich bei hohen Spannungen?

Spannung ist sehr groß, Elektronen werden stark beschleunigthohe Elektronenenergie Stoßionisation: Lawineneffekt

Strom wird unabhängig von Zahl der durch Ionisation generierten Ladungsträger

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Geiger-Müller Zählrohr

Metallrohr mit Gas gefülltLadungsträgergeneration durch ionisierende TeilchenFeldstärke im Bereich des Drahtes hoch: Stoßionisaton

LawinendurchbruchStromimpuls Lautsprecher

Stromimpuls unabhängig von der Art der IonisationEinmal „Tick“ ein ionsierendes Teilchen, oftmals „Tick“ viele

Selbständige Gasentladung

Gasentladung kann ohne äussere Einwirkungen selbst unterhalten werden,keine externe Ionisierungsquelle, thermische Quelle, ....

Jeder Ladungsträger sorgt für seinen eigenen Ersatz

Wie machen sie das?•Ionen prallen auf Kathode und schlagen Elektronen heraus•Energetische Elektronen ionisieren Neutralteilchen durch Stoßionisation

VoraussetzungTeilchen müssen hohe kinetische Energie haben

d.h. sie müssen schnell seind.h. sie müssen durch hohe Spannung beschleunigt werden

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Kennlinie der Gasentladung

BA

USSättigung

UUCkritisch

CD

UZ

Zünd

E

E: Glimmentladung ( bei sehr kleinem Druck )

F

F: Raumladungseffekte werden wichtigRaumladung ⇒ Abschirmung

G: Bogenentladung ( bei großem Druck )großer Strom ⇒ glühende ElektrodenGlühemission von Elektronen

G

Unselbständige EntladungA: Linearer Bereich → Ohmsches Gesetz

Gleichgewicht Erzeugung / RekombinationB: RekombinationsbereichC: Sättigungsbereich

alle Ladungsträger fließen abC→D: Stoßionisation setzt ein

D: Zündpunkt für selbständige Entladung∆Ekin (zwischen Stößen) > ∆EIonisation

jede Ladung sorgt für eigenen Ersatz

Licht bei der Entladunghν

Angeregte Zustände (Stoßanregung)geben Anregungsenergie ab:Emission eines Photons hνhν = ∆E (atomspezifisch)

hν

Elektron und Ion rekombinierenPhoton wird emittiert: Umgekehrter Prozess zu Photoionisationhν hängt von Atom und Anfangs-bedingung ab

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GasdruckabhängigkeitExperiment:Hoher Druck kein Stromflussmittlerer Druck Stromfluss mit Leuchtenkleiner Druck kein Stromfluss

Erinnerung:Druck in einem Gas, Maß für Anzahl der Teilchen pro Volumseinheit

StoßionisationTeilchen muss eine Mindestgeschwindigkeit v habenv = Beschleunigung x Zeit = a T

= Kraft/Masse x Zeit= F/m T= Feldstärke Ladung x Zeit/Masse = e E T /m

e, m KonstanteE: angelegte Spannung durch Länge der Röhre

Aber was ist T?T Zeit zwischen zwei Kollisionen: groß wenn wenig Teilchen, klein bei vielen Teilchen

DruckabhängigkeitHoher Druck: viele Stöße, kleine v ⇒ kein selbständige Entladung

Mittlerer Druck: v gut, genug Teilchen

Kleiner Druck: hohe v, aber keine Stöße mehr, weil keine Teilchen

Zündspannung als Funktion des Drucks (Paschenkurve)

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GlimmentladungStromfluss in Gasröhre: Leuchten Glimmentladung

Zonen unterschiedlicher HelligkeitErklärung kompliziertgrößter Teil positive Säule: gleichmäßig diffuses Licht

Leuchtstoffröhre

Leuchtstofflampe gefülltmit QuecksilberdampfGlimmentladungQuecksilber emittierthauptsächlich im UV

Umwandlung in sichtbares Lichtin Beschichtung (Phosphor)

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Neonröhren

Neonröhren sind reine Entladungslampen

Zum Betrieb ist Hochspannungnotwendig 2000...15.000V!!

Füllgas Leuchtfarbe Neon rotArgon gelb, grün, blau

BogenentladungenTreten bei hohen Drücken und hohen Strömen aufStrom erwärmt Elektroden, dass Elektronen austretenLadungsträger müssen nicht mehr durch Ionsation erzeugt werden

ElektroschweissenKohlenbogenentladungIntensive Lichtquelle fürProjektoren

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Funkenentladungen

BlitzlichtEnergie in Kondensator beschränktEntladung in GasröhreSelbständige Gasentladung bis Energie aufgebraucht

Kurzzeitige Bogenentladungen

Stromtransport in Gasen•Damit in einem Gas ein Strom fließen kann müssen Ladungsträger durch Ionisation erzeugt werden•Ionisation erfolgt über ionisierende Strahlung, Stoßionisation oder thermische Ionsiation•Werden Ladungsträger erzeugt so kommt es zur unselbständigen Gasentladung, dh zur Aufrechterhaltung ist eine externe Ionisation notwendig•Unselbständige Gasentladung wird zur Detektion und Charakterisierung von ionisierender (radioaktiver) Strahlung eingesetzt, zB Geiger Müller Zählrohr•Selbständige Gasentladung läuft ohne äussere Einwirkungen ab, erfordert aber eine höhere Spannung und definierte Druckverhältnisse•Bei unselbständigen Gasentladung Leuchterscheinungen durch Relaxation von angeregten Zuständen und Rekombination•Glimmentladung bei moderaten Drücken und Spannungen•Bogenentladung und Funkenentladungen bei hohen Drücken und Strömen