Hallo,
ich bin nicht vom Fach (Physiker), habe aber eine Frage, bei der Ihr mir
vielleicht helfen könnt:
In welche Richung bewegen sich Elektronen in einem Leiter, an dem
Gleichspannung anliegt? In einem Physikbuch habe ich gelesen, dass die
Elektronen eine Zitterbewegung ausführen. Das soll am Vorzeichenwechsel
der effektiven Masse bei einer Annäherung an den Zonenrand der
Brillouinzone liegen.
Das kann ich aber nicht mit meiner Vorstellung vereinen. Also: Warum
zittern die Elektronen bei Gleichspannung nur?
Danke und Grüße
Mosmer
im prinzip ist stromfluss eine form der diffusion. am negativen pol hast
du einen elektronenüberschuss, der in richtung des elektronenmangels
(positiver pol) diffundiert, jedoch findet (von leer werdenden batterien
/... abgesehen) kein ausgleich statt, sondern der konzentrationsgradient
bleibt (bei gleichspannung) gleich. die elektronen bewegen sich dabei
vom negativen pol zum positiven. da elektronen jedoch negativ geladen
sind, entspricht das einer positiven ladung, die von plus nach minus
strömt, daher sagt man oft, dass strom "von plus nach minus" fließt. der
tatsächliche ladungsstrom findet aber eigentlich nur durch die negativen
elektronen statt. ein elektron für sich betrachtet bewegt sich dabei
nicht gradlinig von minus nach plus, sondern eckt immer wieder an den
atomen des leiters an und ändert seine richtung, stellenweisae auch in
die "falsche" richtung. erst über eine lange zeit betrachtet bewegt sich
ein elektron vom konzentrationgradienten getrieben nach plus. wenn du
mit einer stromzange ein einzelnes elektron beobachten würdest, hättest
du einen zitterförmigen strom, erst die riesige menge an elektronen
macht daraus einen glatten strom.
>im prinzip ist stromfluss eine form der diffusion.
Naja? Die am Leiter anliegende elektrische Spannung bzw. das el. Feld
bewirkt aber, dass auf jeden freien Ladungsträger eine gerichtete,
langreichweitige Kraft ausgeübt wird (Kraft=Feldstärke*Ladung). Das ist
bei üblichen Diffusionsprozessen eher nicht der Fall.
Mein Tipp: Physik-(Schul)-Buch, da kann man auch Anderes mit lernen und
bekommt auch ein paar Großbuchstaben gleich dazu.
Die Elektronen zittern natuerlich nicht. Optimal waere eine lineare
Bewegung im Feld. Leider ist da noch das Gitter. Die Gitterstoesse bei
normalen Temperaturen bewirken den Widerstand. Bei Supraleitung
verschwinden die Stoesse, und der Widerstand verschwindet. Vergiss die
Brilloinzonen. die sind im Impulsraum wenn ich mich richtig erinnere.
Hallo,
>> Elektronen zittern
Ähem, Ihr seit hier mitten in der Festkörperphysik.
Euch ist schon der Modellcharakter bewußt?
1) Elektrodynamik: Der Energietransport findet außerhalb des Leiters in
Form von Feldern statt
2) Drude-Theorie: Elektronentransport und Gitterstöße in einem
Ionengitter
3) Potentialtopf: Ein Festkörper wird (halbklasisch) durch einen
harmonischen Oszillator beschrieben
4) Brillouin: Anschluss der Lösungen des harmonischen Oszillators an den
Gittergrenzen
Zwischen 1) bis 4) gibt es Unvereinbarkeiten und Anschlußpunkte:
Klar ist, dass der elektromagnetische Energietransport bei einem idealen
Leiter zumindest größenordungsmäßig im Bereich der Lichtgeschwindigkeit
liegt.
Im Bereich von Feldtheorien (siehe 1)) ist das auch kein Problem, da,
wie gesagt, der Energietransort ausserhalb des Leiters in Form von
elektrischen Feldern erfolgt. Das Anschauungsproblem entsteht erst in
halklassischen, mechanischen Vorstellungen:
Der Energietransport erfolgt hier durch die kinetische Energie der
Elektronen, die mit der angelegten Spannung steigt.
Nun kann keiner ersthaft meinen, dass ein solch mechanistischer
Enregietransport durch das komplette Durchjagen eines Elektrons durch
den gesamten Leiter entsteht: Die Vermittlung erfolgt durch
Elektronenstöße (Impulsübertragung).
In gewisser Weise gibt da schon einen Zusammenhang mit der Diffusion:
Abhängig von Temperatur und angelegter Spannung verändert sich die
mittlere freie Weglänge eines Elektrons. Mittlere freie Weglänge
bedeuted: Der Weg den ein 'durchschnittliches' Elektron im Leitungsband
zurücklegt, bis es mit einem anderen Elektron zusammenstößt und so
seinen Impuls überträgt.
Zur Frage: Im verfeinerten Modell des Festkörpers ist der Festkörpers
durch ein Kristallgitter aufgebaut. Im Inneren einer Gitterzelle
befinden sich die Elektronen in einem harmonischen Potential. Der
Festkörper ist aus Gitterzellen aufgebaut. Die Brillouin-Näherung
beschreibt den energetischen Übergang einer Gitterzelle zur anderen:
physikalisch vernünftig, ist dieser endlich.
Solange keine Spannung anliegt, bleigt es bei:
> Na, das erklär mal Herrn Brown.
(also Zittern in alle Richtugen gleichmäßig)
Eine symmetrische Situation an den Gittergrenzen des Festkörpers also.
Beim Anlegen einer Spannung kommt es zu einer Asymmetrie der
'Zitterbewegung' an den Gittergrenzen, bedingt durch eine Deformation
der Gitterpotentiale - dadurch findet der Ladungstransport statt.
Mehr sollte man 'anschaulich' in solche halbklassischen Näherungen
(Mechanik + Elektrodynamik + Quantenmechnik + mathematische
Stetigkeitsvorderungen) nicht hineindeuteln.
Gruß
Nils
Ich möchte es mal von einer anderen Seite aus beleuchten:
Was willst Du mit dem Strom machen, das Wesen der Welt erforschen, bist
Du auf der Suche nach irgendeiner Universalformel, oder willst Du Dir
ein nettes kleines Gimmick (Lauflicht mit AVR oder so) bastelt.
Du bist hier in einem Forum, in dem eher das Lauflicht interessiert.
Also geht man davon aus, der Strom hat eine Stärke und fließt von PLUS
nach MINUS. Das Wesen des Stroms ist hierbei uninteressant. Ohmsches
Gesetz, Stromknotenregel,... interessieren hier. Damit kann man sich ein
Lauflicht bauen, und das tut dann auch
Willst Du ein Radion bauen, interessierst Du Dich vielleicht für den
Wellencharakter des elektrischen und magnetischen Feldes. Schon etwas
komplizierter, die einfache Betrachtungsweise von oben brauchst Du hier
auch.
Willst Du das Wesen der Welt erforschen, interessierst Du Dich dafür:
Wer genau transportiert die Ladungen aus denen sich der Strom
zusammensetzt, wo kommen sie her, wie verschwinden sie wieder, haben die
Ladungen diskrete Werte, was hindert sie, ... Damit hast Du sicher am
allermeisten recht, aber die obige Lauflichtlösung kriegst Du damit nie
hin, da stehst Du Dir sowas von im Weg.
Dafür gibt es verschiedene Modelle mit gewissen Abstraktionsstufen.
Ciao
@ Willi Wacker (williwacker)
> Du bist hier in einem Forum, in dem eher das Lauflicht interessiert.
Wäre möglich, aber hier heisst die Abteilung 'OFFTOPIC' und deshalb
interessieren auch andere Sachen.
Hallo,
ich bin daran interessiert, das Wesen der Welt zu erforschen. Auf diese
Weise bin ich auf das Modell der Brillouinzonen der Festkörperphysik
gestoßen, die Antwort, die ich suche, kommt also Nils' Argumentation
nahe, danke hierfür.
Was ich genau genau gemeint habe:
Idealerweise (ohne Gitterfehler etc.) wird die Fermikugel durch ein
angelegtes elektrisches Feld verschoben. Die Elektronen werden bei ihrer
"Bewegung" im k-Raum zunächst beschleunigt, treffen dann aber auf den
Rand der Brilouin-Zone und werden hier reflektiert zum anderen Rand
dieser Brillouin-Zone. Das ergibt dann eine Zitterbewegung, also ein
Hinlaufen und Zurückreflektiertwerden. Diese Zitterbewegung im k-Raum
kann angeblich auch in Form einer Zitterbewegung im realen Raum gesehen
werden, k ist schließlich im wesentlichen der Impuls. Diese Bewegung ist
natürlich im realen Leiter durch Rückstreuung an Gitterfehlern (nicht an
Atomen auf Gitterplätzen!!) und an Phononen, also an Gitterschwingungen,
überlagert.
Soweit die Theorie aus dem Festkörperpysikbuch. Wie kann ich in diesem
Modell verstehen, dass Stromfluss Elektronentransport ist? Oder anders
gefragt: wo habe ich das Modell falsch verstanden?
Die Suche nach einer Universalformel ist natürlich vermessen, aber sich
mit Lauflichtern zufriedenzugeben ist ja wohl etwas armseelig. Zumal
Lauflichter, wenn's um Strom geht mit der Wirklichkeit wohl eher wenig
gemein haben und außerdem furchtbar oft falsche Ideen vermitteln... Was
spricht also dagegen, ein besseres Modell verstehen zu wollen?
>ich bin daran interessiert, das Wesen der Welt zu erforschen.
Du kannst hier natürlich auch nach einem guten Rezept für einen
Sauerbraten oder nach dem Balzverhalten der gelben Sumpfschildkröte
fragen.
Aber falls Deine Frage wirklich ernst gemeinst ist (was ich doch etwas
beschweifel) und Du keinen direkten Kontakt zum Fachbereich Physik einer
Uni hast, gibt es für solche Diskussionen die sogenannten Newsgroups des
Usenet, etwas de.sci.physik und ähnliche. Lesen und Schreiben geht am
besten mit einem Newsreader wie etwa knode für Linux, notfalls geht es
wohl auch irgendwie mit Google.
