Ladungsträger in freier Wildbahn

Nachdem ihr nun gestern etwas über das Verhalten von Ladungsträgern erfahren habt, erzähle ich euch heute, wo man Ladungsträger im Allgemeinen findet.

Um überhaupt einen Stromfluss möglich zu machen, müssen die Ladungsträger frei beweglich sein. Das ist aber nicht in jedem Stoff der Fall. Die Materialien, die freie Ladungsträger enthalten, sind elektrische Leiter.

Am bekanntesten sind natürlich Metalle. Wenn sich Metallatome zusammenschließen, bilden sie ein Kristallgitter. Dabei sind die positiv geladenen Atomkerne in regelmäßigen Abständen angeordnet. Um sie herum befinden sich die Elektronen in den unteren Schalen der Atomhülle.
Die höheren Schalen der einzelnen Atomhüllen überlappen sich dabei. Dadurch lassen sich die Elektronen auf ihnen keinem bestimmten Kern mehr zuordnen. Sie lösen sich von ihrem angestammten Atomkern und verteilen sich als „Elektronenwolke“ im Kristallgitter.

Man spricht in diesem Zusammenhang von Valenz- und Leitungsbändern. Das sind Energieniveaus, in denen sich Elektronen befinden können.
Wenn ein Elektron an einen Atomkern gebunden ist, befindet es sich im Valenzband.
Löst sich das Elektron vom Kern, wechselt es ins Leitungsband. Es ist dann ein frei beweglicher Ladungsträger.

Genau das passiert also im Metall: Es befinden sich ziemlich viele Elektronen im Leitungsband, weshalb Metalle den elektrischen Strom ausgezeichnet leiten.

In ionisierten Gasen passiert etwas Ähnliches. Wird ein Gas hoch erhitzt, bestrahlt oder mit Teilchen beschossen, sammeln die Elektronen in der äußeren Hülle der Atome genug Energie, um vom Valenzband ins Leitungsband zu wechseln, sprich, sich von ihrem Atomkern zu lösen.
Da die positiv geladenen Ionen selbst frei beweglich sind (ein Gas ist ja kein festes Gitter), haben wir hier sogar zwei verschiedene Arten von freien Ladungsträgern – die einzelnen Elektronen und die Ionen.
Ionisierte Gase als Leiter findet man zum Beispiel in Leuchtstoffröhren oder Lichtbögen. Zu diesen Dingen schreibe ich später noch mehr.

In elektrolytischen Lösungen, also Säuren, Basen, Salzlösungen, gibt es auch Ionen. Sowohl negative (die zusätzliche Elektronen aufgenommen haben), als auch positive (die Elektronen abgegeben haben). Deshalb ist Salzwasser auch ein guter elektrischer Leiter und chemisch gereinigtes Wasser ein schlechter.

Bei Isolatoren sind alle Elektronen gebunden. Daher ist kein Stromfluss möglich.
Die Energie, die nötig wäre, Elektronen aus der Atomhülle zu reißen und ins Leitungsband zu befördern, ist ziemlich hoch.

Bei Halbleitern ist die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband geringer.
Deshalb passiert es, das in einem Halbleiter einige Elektronen ins Leitungsband wechseln und er leitend wird, allerdings in weit geringerem Maße als ein Leiter. Wird er erhitzt oder bestrahlt, wechseln mehr Elektronen ins Leitungsband und die Leitfähigkeit verbessert sich.

Durch Dotieren kann man die Leitfähigkeit von vornherein erhöhen.
Halbleiter sind ja Elemente der vierten Hauptgruppe im Periodensystem. Das heißt, sie haben auf der äußersten Elektronenschale 4 Elektronen.
Jedes Elektron verbindet sich mit einem Elektron eines anderen Atoms zu einem Paar. So ist jedes Atom mit vier weiteren verbunden.
Bringt man jetzt Atome der dritten oder fünften Hauptgruppe ein, ist entweder ein Elektron zu wenig oder zu viel.
Die Fremdatome sind im Ganzen elektrisch neutral, da sie ja in ihrem Kern genausoviele Protonen haben wie Elektronen in der Hülle.
Aber betrachtet man das Kristallgitter, findet man nun entweder ein Elektron vor, das keinen Partner hat und sich frei bewegen kann, oder man findet ein Loch.

Bei Halbleitern haben wir es also mit einer exotischen Art der Ladungsträger zu tun, nämlich den Löchern.
Nun tragen Löcher eigentlich keine Ladung, aber da sie die Abwesendheit von negativen Ladungen darstellen, verhalten sie sich wie positive Ladungen. Das heißt, sie wandern zum Minuspol.
Betrachtet man den Vorgang genauer, stellt man fest, dass im Grunde nur die Elektronen vom Minuspol durch die Löcher hindurch zum Pluspol wandern und dabei hinter sich die Löcher wieder zurücklassen.

Wenn nun an einem Leiter oder Halbleiter eine Spannung anliegt, also ein Pluspol an der einen Seite und ein Minuspol an der anderen Seite, so wandern die negativen Ladungsträger (Elektronen oder Ionen) aus dem Material zum Pluspol und die positiven (Ionen oder Löcher) zum Minuspol.
Dabei sind die Prozesse im Detail verschieden.
Bei Ionenleitung, z.B. in Elektrolyten, geschehen auf atomarer Ebene andere Dinge als bei der herkömmlichen Elektronenleitung. Erreicht ein positives Ion den Minuspol, nimmt es von dort Elektronen auf und wird wieder ein normales Atom. Gleichermaßen gibt ein negatives Ion seine überschüssigen Elektronen ab, sobald es den Pluspol erreicht, und wird wieder ein Atom. Diese Atome lagern sich oftmals an den Polen – auch Elektroden genannt – ab.

Bei der Elektronenleitung werden die Elektronen, die das Material verlassen, sofort von Elektronen aus dem Minuspol ersetzt. So kommt es zu einem kontinuierlichen Stromfluss. Das Material selbst ändert sich anders als bei der Ionenleitung nicht.

Atome hautnah

Beim Verfassen des nachfolgenden Artikels „Ladungsträger in freier Wildbahn“ ist mir aufgefallen, dass manche Erklärungen vielleicht unverständlich sind, wenn man nicht genau weiß, wie ein Atom aufgebaut ist.
Also will ich hier nochmal kurz das Bohr’sche Atommodell vorstellen.
Das ist zwar nicht der Weisheit letzter Schluss, aber sowohl für den Laien verständlich als auch genau genug um einige der komplizierteren Zusammenhänge daran zu erläutern.

Wir ihr bestimmt alle wisst befinden sich im Inneren eines Atoms die Protonen und Neutronen und in der Atomhülle die Elektronen.
Nicht jedem bekannt ist aber vielleicht, dass die Atomhülle eine bestimmte Struktur hat.

 

Die einzelnen Elektronen sind nämlich auf Schalen verteilt, die unterschiedlichen Energieniveaus entsprechen. Je höher die Schale, desto höher ist die Energie der Elektronen auf dieser Schale.
Man kann es sich vereinfacht so vorstellen, dass diese Schalen unterschiedlich weit weg vom Kern sind und die Elektronen sich nur deshalb auf höheren Schalen halten können, weil sie sich schneller bewegen.

Nun ist es so, dass man ein Elektron genauso wie Licht nicht nur als Teilchen, sondern auch als Welle auffassen kann. Für jedes Elektron kann man eine Wellenlänge – die De-Broglie-Wellenlänge, benannt nach Louis-Victor de Broglie – berechnen, die von der Geschwindigkeit und damit von der Energie des Elektrons abhängt.
Die Elektronen können sich nur auf Bahnen bewegen, deren Umfang ein ganzzahliges Vielfaches der De-Broglie-Wellenlänge ist. Nur so liegen beim abermaligen Durchlauf der Bahn wieder Wellenberg auf Wellenberg und Wellental auf Wellental. Die Welle erhält sich selbst. Auf allen anderen Bahnen löscht sich die Welle in kurzer Zeit aus.
Das heißt, ein Elektron kann nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen.

Um von einer Bahn auf die nächsthöhere zu wechseln, braucht das Elektron zusätzliche Energie, die es zum Beispiel in Form von Hitzeeinwirkung oder Strahlung bekommen kann.
Die Bahnen liegen nach außen hin immer dichter zusammen bis sie schließlich von der „Grenze zur Freiheit“ abgeschlossen werden. Hinter dieser ist das Elektron nicht mehr an den Atomkern gebunden.

 

Man muss sich jedoch vor Augen halten, dass das Bohr’sche Atommodell nur ein vereinfachtes und mittlerweile überholtes Modell ist. Nach neueren Erkenntnissen bewegen sich die Elektronen weder auf Kreisbahnen noch bewegen sie sich überhaupt.
Sie halten sich vielmehr mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in bestimmten Räumen um den Atomkern auf. Diese Räume haben für die verschiedenen Energieniveaus unterschiedliche Formen.

 

Spannung und Strom privat

Bevor ich euch zu den verschiedenen Themen etwas erzähle, möchte ich zuerst die Begriffe „Spannung“ und „Strom“ für den Laien verständlich erklären.

Beide Phänomene werden durch die Anwesendheit von Ladungsträgern hervorgerufen. Ladungsträger können alle möglichen Teilchen sein. Die Grundbausteine sind Elektronen und Protonen, die beide die kleinste natürliche Ladung – die Elementarladung – tragen. Das Elektron trägt eine positive und das Proton eine negative Ladung. Ihre Antiteilchen, also das Positron (Anti-Elektron) und Anti-Proton, sind genau entgegengesetzt geladen

Elektronen und Protonen fügen sich gern zu Atomen zusammen, weil sich entgegengesetzte Ladungen ja bekanntlich anziehen. Ein Atom ist elektrisch neutral. Werden aber durch die Einwirkung von Hitze, Strahlung oder den Zusammenstoß mit anderen Teilchen Elektronen aus der Atomhülle gerissen, überwiegen die positiven Ladungen im Atom und es wird insgesamt positiv geladen. Nun heißt es Ion. Wenn dem Atom Elektronen hinzugefügt werden – zum Beispiel in einer chemischen Reaktion – wird das Ion negativ geladen.

Ionen sind also genauso wie einzelne Elektronen und Protonen elektrische Ladungsträger.

Die Ladung erzeugt rund um die Ladungsträger ein Energiefeld, das elektrische Feld. Über dieses Feld wird die elektrische Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft übertragen. Die jeweils entgegengesetzten Ladungsträger haben nun das Bestreben, dieser Anziehungskraft zu folgen. Dieses Bestreben nennt man Spannung.

Physikalisch gesehen ist die Spannung eine Potentialdifferenz, also eine Differenz im Energiegehalt des elektrischen Feldes. Man kann es sich ein bisschen so vorstellen wie Wasser auf einem Berg. Dieses Wasser hat eine potentielle Energie, das heißt, es besteht eine Differenz zwischen seiner potentiellen Energie und der potentiellen Energie, die es im Tal hätte. Das Wasser strebt nach unten, weil es von der Gravitation angezogen wird. Die Grativation der Erde erzeugt nämlich ein sehr ähnliches Energiefeld wie eine Ladung. Und genauso hat ein Ladungträger eine potentielle Energie gegenüber einem anderen Ladungsträger, weil er von dessen Kraft angezogen wird. Diese potentielle Energie nennt man Spannung.

Wenn sich die Ladungsträger aufeinander zu bewegen, nimmt die potentielle Energie, die er eine gegenüber dem anderen hat, ab. Die Spannung sinkt. Doch die Bewegung der Ladungsträger bildet jetzt das andere Phänomen, das wir betrachten wollen: Den elektrischen Strom.

Genauso wie Wasser, das den Berg hinunterfließt, Arbeit verrichten kann, so kann auch der elektrische Strom Arbeit verrichten, zum Beispiel in Motoren.

Strom kann aber auch eine Anhäufung von Ladungsträgern bewirken. Zum Beispiel in einem Kondensator. Der Ladestrom sorgt dafür, dass sich in einer der beiden Kondensatorplatten viele Elektronen sammeln, während sie aus der anderen „abgesaugt“ werden. Zwischen beiden Kondensatorplatten entsteht dadurch wieder eine Spannung.

Wir merken also: Strom und Spannung lassen sich gewissermaßen ineinander überführen. Ohne Spannung fließt kein Strom und ohne einen Strom, der Ladungsträger voneinander trennt, entsteht keine Spannung.