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Leiter und Nichtleiter

Metallische Leiter und Nichtleiter
Alle Werkstoffe, die in der Elektrotechnik verwendet werden haben folgende Eigenschaften:
Sie leiten den Strom oder sie leiten den Strom nicht. Die Materialien, die den Strom leiten, nennen wir Leiter. Die Materialien, die den Strom nicht leiten, nennen wir Isolatoren.

Leiterwerkstoffe
Wichtige Leiterwerkstoffe sind Kupfer und Aluminium.
Warum leiten Metalle gut?

Metallatome verbinden sich zu gitterförmigen Gebilden mit sehr dichter Atomanhäufung (Wie Apfelsinen in einer Kiste). Dabei gibt jedes Metallatom seine Valenzelektronen ab, es wird zum positivem Ion. Im Kristallgitter des Metalls sind die abgegebenen Valenzelektronen frei beweglich. Sie werden auch freie Elektronen genannt. Die freien Elektronen umschwirren die positiven Atomionen wie ein gigantischer Mückenschwarm.

Ein Kupferwürfel von 1 cm³ enthält etwa 10²³ freie Elektronen. Stoffe, die eine hohe Anzahl freier Elektronen enthalten, nennt man elektrische Leiter.

Nichtleiter
Stoffe, die nur wenig freie Elektronen besitzen werden Isolatoren genannt. Isolatoren sind in der Elektrotechnik genauso wichtig wie Leiter.
Isolatoren : Kunststoffe, Glas, Keramik, Gummi, Lacke, Öle, Glimmer, Asbest.

Beispiele für metallische Leiter und deren Schalenbesetzung.

Der elektrische Strom

Der elektrische Stromkreis

Nur wenn der Stromkreis geschlossen ist, kann der elektrische Strom fließen.

Spannungsquelle
Die Spannungsquelle ist als Ursache des elektrischen Stromes der wichtigste Bestandteil des Stromkreises.

Leitung
Leitungen dienen zum Stromtransport zwischen Spannungsquelle und Verbraucher. Es wird zwischen Hin- und Rückleitung unterschieden.
Hinleitung: Stromtransport von der Spannungsquelle zum Verbraucher.
Rückleitung: Stromtransport vom Verbraucher zur Spannungsquelle.

Verbraucher
Der Verbraucher wandelt die elektrische Energie in eine andere Energieform um (z.B. in Licht, Wärme, Bewegungsenergie).

Strom in metallischen Leitern

Metallische Leiter enthalten eine Vielzahl freier Elektronen, die sich frei im Kristallgitter bewegen. Erst unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung bewegen sich diese Elektronen in eine bestimmte Richtung durch das Kristallgitter. Der Minuspol der Spannungsquelle treibt die Elektronen durch die Leitung über den Verbraucher zum Pluspol.
Zur Erinnerung:
Spannung entsteht in einer Spannungsquelle durch Ladungstrennung. Ist der Stromkreis geschlossen, so wollen sich die Ladungen wieder ausgleichen.

Elektronenrichtung:
Die Elektronen bewegen sich im Leiter vom Minus- zum Pluspol. Innerhalb der Spannungsquelle vom Plus- zum Minuspol. Die elektrische Spannung treibt die Elektronen durch den Stromkreis.

Elektronengeschwindigkeit / Wirkungsgeschwindigkeit:
Im Leiter bewegen sich die Elektronen mit geringer Geschwindigkeit (mm/s).
Die Wirkung pflanzt sich mit Lichtgeschwindigkeit fort ( 300.000 km/s).
(Beispiel mit Rohr und Pingpongbällen oder Eisenkugeln)

Technische Stromrichtung:
In der Technik wird die Stromrichtung von Plus nach Minus gezählt. Diese Vereinbarung wurde getroffen, als man noch nichts über Elektronen wusste. Die technische Stromrichtung wird auch konventionelle Stromrichtung genannt, sie ist auch heute noch verbindlich.
Erklärungen zur technischen Stromrichtung

Die Stromstärke

Wie kann man die Stärke eines Wasserstromes bestimmen?

Versuch

Wasser in ein Gefäß fließen lassen. Zeit und Volumen messen. Analogie zum Stromkreis.

Wasserstrom: Die Anzahl der Wasserteilchen, die pro Sekunde durch den Querschnitt einer Wasserleitung fließen, sind ein Maß für die Größe des Wasserstroms. Da wir die Anzahl der Wasserteilchen schlecht zählen können, messen wir das Volumen (L/s oder m3/s). Elektrischer Strom: Die Anzahl der Elektronen, die pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließen, sind ein Maß für die Größe des elektrischen Stroms. Da wir die Anzahl der Elektronen nicht zählen können, brauchen wir eine eindeutige Messvorschrift.

Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A). Es gilt folgende Definition:
Die Stromstärke beträgt 1 A, wenn je Sekunde etwa 6,25 Trillionen Elektronen durch den Leiterquerschnitt fließen.

Der elektrische Widerstand

Messschaltung zur Bestimmung des elektrischen Widerstands.

Was heißt elektrischer Widerstand?

Fließt Strom durch einen metallischen Leiter, so bewegen sich die freien Elektronen zwischen den Atomen des Leiterwerkstoffs hindurch. Die Atome schwingen in alle Richtungen um ihre Ruhelage. Dadurch werden aber die freien Elektronen in ihrer Bewegung behindert. Jeder Leiter setzt also dem elektrischen Strom einen Widerstand entgegen, der durch die Spannung überwunden werden muss.

Umgang mit dem Zeigermultimeter

1.	Wird nicht gemessen, muss der Wahlschalter auf "0" oder "off" stehen.
2.	Vor der Messung muss der richtige Spannungs- bzw. Strommessbereich gewählt werden.
3.	Der Zeiger muss auf den Nullpunkt eingestellt werden.
4.	Bevor das Messgerät an den Stromkreis angeschlossen wird, sind die Einstellungen vom Lehrer überprüfen zu lassen.
5.	Beim Anschluss an den Stromkreis muss die Polung stimmen.
6.	Der Messwert ist an der richtigen Skala abzulesen.
7.	Die Ablesung erfolgt senkrecht von oben und zwar so, dass der Zeiger sich mit seinem Spiegelbild deckt.
8.	Während der Messung darf nicht am Wahlschalter gedreht werden. Vorher ist der Stecker zu ziehen.

Zeichenerklärung:
U         heißt Spannung und wird in Volt gemessen
I           heißt Strom und wird in Ampere gemessen
=         heißt Gleichspannung / Strom