Stromleitung in Flüssigkeiten, Gasen und im Vakuum

Question 1

Wie nennt man die Träger des elektrischen Stroms in Flüssigkeiten?

Answer 1

-> Ionen

=> entstehen beim Zerfall von Molekülen (Dissoziation)

Question 2

Wie nennt man positive Ionen?

Answer 2

-> Kationen

=> wandern zur negativen Elektrode (Kathode)

Question 3

Wie nennt man negative Ionen?

Answer 3

-> Anionen

=> wandern zur positiven Elektrode (Anode)

Question 4

Wie nennt man elektrisch leitende Flüssigkeiten?

Answer 4

-> Elektrolyte
=> sind dissoziierende Flüssigkeiten (werden von dem sie durchfließenden Strom in Ionen zersetzt)
=> im Wesentlichen wässrige Lösungen von Salzen, Säuren und Laugen

Question 5

Was versteht man unter Elektrolyse?

Answer 5

Prozess bei dem durch elektrischen Strom eine Redoxreaktion erzwungen wird.
-> ein Teil der elektrischen Energie wird in chemische Energie umgewandelt
-> erfordert eine Gleichspannungsquelle
-> Metalle scheiden sich an der Kathode (Minuspol) ab
-> Molekülrest scheidet sich an der Anode (Pulspol) ab
[Umgekehrte Ablauf in Batterien, Akkumulatoren oder Brennstoffzellen => Elektrolyse zur Energiespeicherung]

Question 6

Was besagt das 1. Faraday´sche Gesetz?

Answer 6

Die Stoffmenge, die an einer Elektrode während der Elektrolyse abgeschieden wird, ist proportional zur elektrischen Ladung, die durch den Elektrolyten geschickt wird.
-> m=ÄIT=Ä*Q (Ä-> elektrochemisches Äquivalent des Elektrolyts)

Question 7

Was besagt das 2. Faraday´sche Gesetz?

Answer 7

Die durch eine bestimmte Ladungsmenge abgeschiedene Masse eines Elements ist proportional zur Atommasse des abgeschiedenen Elements und umgekehrt proportional zu seiner Wertigkeit (also zur Anzahl von einwertigen Atomen, die sich mit diesem Element verbinden können)
-> m[1]:m[2]=Ä[1]:*[2]=M[1]/z[1]:M[2]/z[2] (M-> molare Masse; z-> Wertigkeit; Ä-> elektrochemisches Äquivalent)

Question 8

Durch welchen Zusammenhang wird die Faraday-Konstante gebildet?

Answer 8

Die für das Abscheiden der Stoffmenge n=1mol nötige Ladung Q ist bei allen 1wertigen Stoffen gleich.
-> Produkt aus Avogadro-Konstante (N[A]=6,02210^23/mol) und der elektrischen Elementarladung (e=1,60210^-19 C)
=> F=N[A]e=9,6485336510^4 C/mol

Question 9

Was versteht man unter einem galvanischem Element/Zelle?

Answer 9

Eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie.
-> zwei verschiedene Elektroden + Elektrolyt = galvanisches Element
-> dienen als Gleichspannungsquellen
=> Spannungsdifferenz ist durch die Stellung der Metalle in der elektrochemischen Spannungsreihe festgelegt (-> und somit charakteristisch)
=> Elektroden werden bei dem Prozess chemisch verändert -> es entsteht eine Gegenspannung (Polarisation)
=> Prozess ist nicht umkehrbar (-> Primärelemente = Batterie)

Question 10

Was versteht man unter einem Akkumulator?

Answer 10

Eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie in Form von chemischer Energie.
-> durch Polarisation während des Aufladens wird ein galvanisches Element geschaffen (-> Sekundärelement = “Akku”)
[-> Bleiakkumulator: zwei Bleiplatten + 28%ige Schwefelsäure als Elektrolyt => liefert ~2V
-> Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd-Akku): Nickelhydroxid (Ni(OH)[2]) als Pluspol und Cadmiumhydroxid (Cd(OH)[2]) als Minuspol + 20%ige Kalilauge als Elektrolyt => liefert ~1,2V
-> Nickel-Metallhybrid-Akkumulator (NiMH-Akku): wie NiCd-Akku nur mit Metallhybrid statt dem giftigen Schwermetall Cadmium
-> Lithium-Ionen-Akkumulator (Li-Ion-Akku): Lithiumverbindung mit Cobalt-, Mangan- oder Nickeloxid als Pluspol und Graphit als Minuspol => liefert ~3,0-3,6V]

Question 11

Welche Ladungsträger sind bei Stromleitung in Gasen beteiligt?

Answer 11

-> Ionen oder Elektronen

=> jede Stromleitung in Gasen wird als Entladung bezeicnet

Question 12

Was versteht man unter unselbstständiger Entladung?

Answer 12

• > Erzeugung von Ionen in einem Gas durch äußere Einflüsse (Strahlung) => die erzeugten Ionen wander unter Wirkung einer angelegten Spannung zu den entsprechenden Polen und es fließt ein Strom.
• > Strom wächst bis zu einem bestimmten Wert proportional zur Spannung und bleibt dann gleich (Sättigungsstrom = alle sich bildenden Ionen sind an der Leitung beteiligt)

Question 13

Was versteht man unter selbstständiger Entladung?

Answer 13

-> Wird die Spannung weiter erhöht, so wächst auch die Stromstärke wider (Sättigungsstrom wird überschritten)
-> durch Stoßionisation aufgrund der hohen Energie der Ionen werden andere Moleküle ionisiert => Anzahl der Ladungsträger wächst stark
=> Entladung findet selbstständig statt, da keine Ionisierung durch äußere Einflüsse mehr benötigt wird (erforderliche Spannung nimmt mit sinkendem Gasdruck ab)
=> Mit dem Anwachsen des Stroms und der Zahl der Ladungsträger sinkt der Widerstand

Question 14

Was versteht man unter Glimmentladung?

Answer 14

-> selbstständige Gasentladung zwischen kalten Elektroden mit angeschlossener Gleich- oder Wechselspannung bei niedrigem Gasdruck
=> Farbe der Leuchterscheinung (des Glimmens) hängt vom Gas ab
-> Temperatur der Elektroden und Wände bleibt gering (geringe Stromdichte -> wenig Aufprall von Ladungsträgern => es wird wenig Wärme freigesetzt)
-> Elektronen werden solange von der angelegten Spannung beschleunigt bis sie die erforderliche Energie zur Anregung des Gases erreicht haben (Gasteilchen gehen unter Aussendung optischer wieder in den Normalzustand zurück)
[Anwendung in:
-> Leuchtröhren => Füllgas bestimmt die Leuchtfarbe
-> Leuchtstoffröhren => Leuchtstoffschicht auf der Röhreninnenseite wandelt ultraviolette Strahlung in sichtbares Licht (Fluoreszenz)
-> Quecksilberdampflampen => Füllgas wird Quecksilberdampf zugesetzt (je höher der Druck des Dampfes, desto größer die Lichtausbeute)
-> Glimmlampen => für Spannungsnachweis und als Spannungsstabilisatoren
-> Elektronenblitzröhren => mit Edelgas gefüllte Hartglasröhren (hoher Gasdruck, niedrige Enladungsdauer)]

Question 15

Was versteht man unter Kathodenstrahlen und wie werden sie erzeugt?

Answer 15

=> Elektronen mit hoher Geschwindigkeit

• > entstehen in stark evakuierten Röhren, wenn an den Elektroden eine hohe Gleichspannung anliegt
• > breiten sich geradlinig aus
• > schwärzen fotografische Schichten
• > bestimmte Materialien (z.B. Glas) werden zum Leuchten gebracht (Fluoreszenz)
• > lassen sich durch mag. und el. Felder ablenken

Question 16

Was ist eine Braun´sche Röhre?

Answer 16

Vorrichtung in der die Ablenkbarkeit von Kathodenstrahlen technisch genutzt werden.
-> die beschleunigten Elektronen (Hochspannung zwischen Kathode K und seitlicher Anode A) werden auf dem weg zum Fluoreszenzschirm quer zur Bewegungsrichtung abgelenkt (bei Elektronenstrahloszillographen mit einem el. Feld - bei Fernsehbildröhren vertikal und horizontal mit Magnetfeldern)

Question 17

Was sind Kanalstrahlen?

Answer 17

Positive Ionen die sich auf die Kathode zubewegen (Geschwindigkeit beträgt 300-3000 km/s)

Question 18

Was versteht man unter Röntgenstrahlung und wie wird sie erzeugt?

Answer 18

=> elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen im Bereich von 10^-2 bis 10nm (kurzwellige Röntgenstrahlen werden als hart die langwelligen als weich bezeichnet)
-> entstehen wenn Kathodenstrahlen auf einen Metallkörper treffen
-> Strahlung besteht aus zwei Komponenten: 1. beim Abbremsen der Elektronen frei werdende Energie erzeugt Bremsstrahlung - 2. Elektronen regen Atome im Metall zu einer charakteristischen Strahlung an
[Eigenschaften der Röntgenstrahlung:
- breitet sich geradelinig aus
- durchdringt lichtundruchlässige Stoffe
- erzeugt beim Auftreffen auf bestimmte Stoffe Fluoreszenz
- schwärzen fotografische Schichten
- zerstörende Wirkung auf lebendes Gewebe
- werden in el. und mag. Feldern nicht abgelenkt]

Question 19

Wie erfolgt die Stromleitung im Vakuum?

Answer 19

(eingebrachte) Elektronen werden im elektrischen Feld von den Feldkräften F=E*e in Richtung der Anode beschleunigt -> Geschwindigkeit und kinetische Energie wachsen

Question 20

Mit welcher Einheit wird die Energie des Elektrons angegeben?

Answer 20

In Elektronvolt (eV)
-> unter 1 eV versteht man die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen der Spannung von 1 V erreicht.
=> 1 eV= 1,60210^-19 J | 1 J=6,24110^18 eV
[ist in Atom- und Kernphysik eine zulässige SI-fremde Energieeinheit]

Question 21

Wie wird die Geschwindigkeit des Elektrons im Vakuum berechnet?

Answer 21

-> Energie des Elektrons muss gleich der aufgewendeten Arbeit sein (1/2mv²=eU)
=> v=Wurzel(2eU/m[e]) [gilt nicht für sehr große Geschwindigkeiten <10% c]
=> bei sehr großen Geschwindigkeiten ist die dem Elektron zugeführte Energie gleich der Gesamtenergie minus seiner Ruheenergie (v=c[0]Wurzel(1-(1/(eU/m[e,0]c[0]²+1)²)

Question 22

Was passiert mit der Bewegungsrichtung der Elektronen beim durchlaufen eines elektrischen Querfeldes?

Answer 22

Die Elektronen werden abgelenkt, die Bewegung entspricht der eines waagerechten Wurfs (Flugbahn hat die Form einer Parabel)
-> An die Stelle der Fallbeschleunigung tritt die vom el. Feld erzeugte Beschleunigung (a=e*E/m[e])

Question 23

Kann durch ein Vakuum ein Strom fließen?

Answer 23

Ein ideales Vakuum besitzt keinerlei Ladungsträger -> ist ein Isolator
=> im Vakuum kann nur dann ein elektrischer Strom fließen, wenn Ladungsträger in den Raum gebracht werden

Question 24

Wie können Elektronen aus einer Metalloberfläche herausgelöst werden?

Answer 24

Durch zuführen einer bestimmten stoffabhängigen Energie, die mindestens gleich der so genannten Ablöse- oder Austrittsarbeit ist.

Question 25

Was versteht man unter thermischer Elektronenemission?

Answer 25

Ist die technisch wichtigste Art der “Elektronenbefreiung” ist die Glühemission (Zuführung thermischer Energie)
-> die Anzahl der austretenden Elektronen ist vom Material und vor allem von der Temperatur abhängig
=> kann mit der Richardson´schen Gleichung berechnet werden
J=aT²e^-(W[A]/k*T) (a-> Richardson-Konstante [experimentell ermittelter Materialwert]; W[A]-> Austrittsarbeit des Kathodenmaterials)

Question 26

Was versteht man unter Feldemission?

Answer 26

Bei hohen Feldstärken ab ~10^9 V/m reicht die Kraft des Feldes zur Elektronenbefreiung aus.
[Um die Spannung klein zu halten, endet die Kathode in einer einen Spitze. Anwendung: Feldelektronenmikroskop, Blitzableiter, u.a.]

Question 27

Was versteht man unter Fotoemission?

Answer 27

-> wird auch äußerer fotoelektrischer Effekt genannt
-> ein Strahlungsquant mit der einer Energie hf kann ein Elektron herauslösen, wenn seine Energie größer ist als die erforderliche Ablösearbeit (Differenz wird zur kinetischen Energie des emittierten Elektrons)
=> hf=W[A]+(m[e]*v²/2)
=> die Energie der befreiten Elektronen wächst mit der Frequenz der Strahlung
=> die Anzahl der abgelösten Elektronen wächst mit der Stärke der Strahlung (Anzahl Quanten/Zeit)

Question 28

Was versteht man unter Sekundäremission?

Answer 28

Die Energie auftreffender Elektronen/Ionen kann zur Elektronbefreiung ausreichen, wenn ihre Geschwindigkeit genügend große ist.
[Anwendung in Sekundärelektronenvervielfachern und Fotomultiplier]

Question 29

Was sind Elektronenröhren?

Answer 29

Vakuumröhren mit geheizter Kathode (t=700-800°C). Zwischen Anode und Kathode liegt die Anodenspannung
-> Zweipolröhre (Diode): Anodenspannung erzeugt elektrisches Feld -> beschleunigt die aus der Kathode austretenden Elektronen in Richtung Anode => Anodenstrom hängt von Anondenspannung ab (kann aber nur bis zum Sättigungsstrom anwachsen)
-> Dreipolröhre (Triode): besitzt dritte Elektrode zwischen Anode und Kathode -> Streugitter mit dessen Spannung der Anodenstrom gesteuert wird (meist negative Vorspannung bezogen auf die Kathode)
=> dient als Verstärkerröhre (kleine Änderungen der Gitterspannung haben große Änderungen der Anodenspannung zur folge)
[Wird heute meist durch Transistoren ersetzt, nur bei hoher Leistung, höchsten Frequenzen oder höheren Temperaturen ist die Triode (noch) überlegen]