Elektrotechnische Grundlagen im Auto - Leitfähigkeit und Elektronenbewegung

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In vielen Stoffen sind fast alle Elektronen fest gebunden und können sich nicht frei bewegen. In Metallen fügen sich die Atome in größeren Gruppen zu regelmäßigen Kristallen zusammen. Elektronen spielen dabei die Rolle des Klebstoffs zwischen den einzelnen Atomen. In Metallen sind eine große Anzahl Elektronen im Atomgitter frei beweglich. Wenn sie durch andere Ladungen angezogen oder abgestoßen werden, geraten sie in eine gerichtete Bewegung; dies bezeichnet man als elektrischen Strom.

Als Merksatz lässt sich also festhalten:

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von freien Elektronen.

Damit elektrischer Strom z.B. in einem Kupferdraht fließen kann, müssen zwischen seinen Enden unterschiedliche Ladungen vorhanden sein. Dies wird durch das Anlegen einer Spannungsquelle realisiert. Am negativen Ende (Minuspol) befinden sich mehr Elektronen, diese stoßen andere Elektronen ab. Am positiven Ende (Pluspol) sind weniger Elektronen vorhanden, so dass die Überzahl positiver Atomkerne die Elektronen anziehen.

Dies liefert uns den nächsten Merksatz:

Am Minuspol herrscht Elektronenüberschuss und am Pluspol Elektronenmangel

Der Ort an dem Ladungen getrennt werden ist gemein hin eine Spannungsquelle. Ohne einen äußeren Spannungsanschluss würden diese nur „auf der Stelle tanzen“. Welche Möglichkeiten es Ladungen zu trennen und Spannung zu erzeugen, wird in einer weiteren Folge dieser Reihe beschrieben werden. Durch Anlegen einer Spannung kommt es erst zur Wanderung der Elektronen vom Minuspol zum Pluspol, es findet ein Elektronenfluss statt. Grundsätzlich gilt: Verbindet man eine Spannungsquelle (z.B. Generator oder Batterie) durch einen Leiter findet eine Elektronenbewegung statt, es fließt Strom so lange bis die Ladungen ausgeglichen sind oder der Stromfluss unterbrochen wird.

Durch Anlegen einer Spannungsquelle an einen Leiter findet eine Elektronenbewegung vom Elektronenüberschuss zum Elektronenmangel hin statt (Grafik kfztech.de)

Die Funktion einer Batterie beispielsweise ist es, auf chemischen Wege Ladungen zu trennen. Am Minuspol finden sich mehr Elektronen, am Pluspol dafür weniger. Verbindet man beide Pole mit einem Metalldraht, dann bewirkt das Ausgleichsbestreben der unterschiedlichen Ladungen einen elektrischen Strom. Weil Batterie und Leiter einen geschlossenen Kreis bilden, spricht man hier von einem Stromkreis. Der Kfz-Mechatroniker Azubi weiß natürlich, dass man niemals einen Stromkreis nur mit einem Draht aufbauen darf. Dabei fließt ein viel zu hoher Strom, der Draht würde unzulässig heiß. Die direkte Verbindung beider Pole nur mit einem Leiter nennt man einen Kurzschluss. Deshalb enthält jeder Stromkreis einen Widerstand (Verbraucher) der den Stromfluss hemmt, wie z.B. eine Glühlampe. Der Glühfaden in der Lampe ist zwar auch nur ein Draht. Aber dieser ist so dünn, dass nur ein relativ geringer Strom fließen kann.

Der Verbraucher bildet einen Widerstand für das Fließen des Stromes.

Im allgemeinen Sprachgebrauch fließt der Strom bekanntermaßen von Plus nach Minus. Dies ist geschichtlich bedingt und wird als Technische Stromrichtung bezeichnet. Die Elektronenbewegung von Minus nach Plus wird hingegen Physikalische Stromrichtung genannt.

Leiter, Halbleiter und Nichtleiter

Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto besser ist die elektrische Leitfähigkeit des Leiterwerkstoffes. Die Leitfähigkeit lässt sich in drei Gruppen einteilen: Leiter, Halbleiter und Nichtleiter.

Leiter sind generell Stoffe, die die Eigenschaft haben verschiedene Energiearten wie Wärme oder Strom weiterzuleiten, sie besitzen sehr viele freie Elektronen. Die gute Leitfähigkeit von Metallen beruht auf den vielen freien Elektronen die aufgrund der Metallbindung vorliegen. Bereits mit wenig Energie werden genug Elektronen von den Atomen gelöst um eine Leitfähigkeit zu erreichen. Die Leitfähigkeit hängt unter anderem von der Temperatur ab. Steigt diese an, schwingen die Atomrümpfe immer stärker, so dass die Elektronen in ihren Bewegungen behindert werden und infolge dessen ihr Widerstand ansteigt. Die besten Leiter sind Gold und Silber, sie werden auf Grund der hohen Kosten relativ selten eingesetzt. Ihr Vorteil liegt auch daran, dass sie als Edelmetalle der Korrosion keine Chance lassen. Gold wird u.a. bei der Kontaktierung der Chips und an den Anschlusskontakten der Steuergeräte verwendet. Kupfer und Aluminium sind sehr gute und bezahlbare Leiter. Als Kabelwerkstoff findet man im Automobil ausnahmslos Kupfer.

Die bevorzugten Leitermaterialien auf Platinen sind wegen der sehr guten Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit Silber, Kupfer und Gold (Foto kfztech.de)

Neben Metallen können z.B. auch Salze unter bestimmten Umständen elektrischen Strom leiten. Hier spricht man von der Ionenbindung. Stoffe, die sich aus Ionen zusammensetzen können sowohl Leiter als auch Nichtleiter sein. Freie Elektronen gibt es hier nicht. Im festen Zustand sind Ionen in einem Gitterverbund angeordnet. Durch elektrische Kräfte werden die Teilchen zusammengehalten. Es sind keine freien Ladungsträger für den Stromfluss vorhanden. Die Leitfähigkeit beruht auf den Ionen die sich z.B. beim Schmelzen oder Lösen von Salzen in Flüssigkeiten aus dem Gitterverbund lösen und dann frei beweglich sind. Die Ladungsträger sind sowohl positive, wie auch negative Ionen. Elektrisch leitende Flüssigkeiten werden als Elektrolyte bezeichnet. Aber auch Gase können inonisiert werden. Zum Zünden des Kraftstoff-Luftgemischs beispielsweise, wird die Luft zwischen den Zündkerzenelektroden in positive und negative Ionen aufgespalten, sie wird ionisiert. Durch den Ionenstrom entsteht eine Veränderung des Stoffes, das Kraftstoff-Luftgemisch wird leitend, ein Funke springt über.

Nichtleiter besitzen keine freien Ladungsträger in Form von Elektronen oder Ionen. Deshalb können durch sie keine Elektronen bewegt werden. Nichtleiter nennt man auch Isolatoren. Die Atombindung von Nichtleiterwerkstoffen beruht auf gemeinsamen Elektronenpaaren von Nichtmetallen. Die Elemente mit Nichtmetallcharakter haben alle das Bestreben Elektronen aufzunehmen, somit sind keine freien Elektronen vorhanden die eine Leitfähigkeit bewirken könnten. Üblicherweise verwendet man Isolatoren oder Isolierstoffe um elektrische Leiter voneinander elektrisch zu trennen (isolieren). Als Nichtleiter kommen hauptsächlich Kunststoffe, Gummi und Keramik in Frage. Kabelisolierungen besehen aus PE und PVC; auch Gummi wird zur Isolierung verwendet. Zündkerzen besitzen einen Spezialkeramik-Isolator aus Aluminiumoxid. Aber auch Glas oder Papier Flüssigkeiten, wie reines Wasser (H₂O), Öle und Fette, aber auch Vakuum und Gase unter bestimmten Bedingungen können als Isolator zum Einsatz kommen.

Halbleiter sind Feststoffe, deren Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt. Im Normalzustand verhalten sie sich wie Nichtleiter. Unter gewissen Voraussetzungen wie z.B. Druck, Temperatur, Belichtung oder Magnetismus lassen sie einen Stromfluss zu. Durch den Elektronenaustausch zwischen gleichartigen Atomen, ordnen sich diese als Gitterstruktur an. Im Gegensatz zu Metallen nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur - bis zu einem gewissen Maß - zu. Durch den Temperaturanstieg brechen Bindungen auf und Elektronen werden freigesetzt. An der Stelle an der sich das Elektron befand verbleibt ein so genanntes Defektelektron (auch Loch), das von einem anderen Elektron besetzt werden kann, die Elektronen wandern von Loch zu Loch. Um die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt zu beeinflussen, werden Fremdatome in die Gitterstruktur eingebaut, und damit die Ladungsträgerkonzentration von Elektronen und Löchern eingestellt. Als Werkstoffe für Halbleiter kommen hauptsächlich Silizium, Germanium oder Selen zum Einsatz. Bausteine aus Halbleitermaterialien sind die Grundlage für elektronische Bauteile und Schaltungen. Dem Kfz-Mechatroniker sind Dioden, Transistoren und NTCs durchaus geläufig.

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Quellen: VW, Elektronik Kompendium von Patrick Schnabel, Franzis Elektronik, Wikipedia, http://www.halbleiter.org