Elektronendrift im Metall – Driftgeschwindigkeit, Beweglichkeit und spezifischer Widerstand
PhysikElektrizität und StromkreiseAlter 16–17
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Freie Elektronen in einem Metalldraht bewegen sich mit etwa 10⁵ m/s ungeordnet und stoßen mit den schwingenden Gitterionen zusammen; ein Strom fügt eine langsame Drift entgegen der Feldrichtung hinzu. Stellen Sie Stromstärke, Querschnitt, Metall und Temperatur ein und lesen Sie die Driftgeschwindigkeit v_d = I/(neA), die Feldstärke E = ρJ, die mittlere Zeit zwischen zwei Stößen τ und die Beweglichkeit μ = v_d/E ab. So sehen Sie, warum ein heißeres Metall einen größeren spezifischen Widerstand ρ = m/(ne²τ) hat.
Lektion: Elektrische Leitung in Metallen: Driftgeschwindigkeit, I = nAv_d e, Beweglichkeit, Stoßzeit und spezifischer Widerstand
Was sie zeigt
In einem Metall kann sich etwa ein Elektron pro Atom frei durch das Gitter der positiven Ionen bewegen. Diese Elektronen flitzen mit etwa 10⁵ m/s ungeordnet umher und stoßen ständig mit den schwingenden Ionen zusammen, ohne Feld gibt es also keine Gesamtbewegung. Eine Spannung erzeugt im Draht ein Feld E; zwischen zwei Stößen wird jedes Elektron entgegen E beschleunigt und driftet langsam, nur Bruchteile eines Millimeters pro Sekunde. Die Stromstärke ist I = nAv_d e. Heißere Ionen schwingen stärker, die Stöße folgen schneller aufeinander, τ sinkt und der spezifische Widerstand ρ = m/(ne²τ) steigt.
So funktioniert es
Wählen Sie ein Metall und stellen Sie Stromstärke I, Querschnitt A, Temperatur T und Drahtlänge L ein. Beobachten Sie, wie das orange Elektron im Zickzack langsam gegen das Feld driftet, und zählen Sie die Elektronen, die den gestrichelten Querschnitt durchqueren. Lesen Sie Driftgeschwindigkeit, Feldstärke, Stoßzeit und Beweglichkeit unter dem Bild ab und klicken Sie auf Speichern, um eine Tabellenzeile anzulegen. Das Diagramm zeigt, wie sich spezifischer Widerstand und τ mit der Temperatur ändern.
Einstellbare Parameter
- Metall Kupfer, Silber, Gold, Aluminium
- Stromstärke I 0–20 A
- Querschnittsfläche A 0,1–10 mm²
- Temperatur T 100–600 K
- Drahtlänge L 0,1–10 m
- Ein Elektron verfolgen
Fragen zum Erkunden
- Warum ist die Driftgeschwindigkeit der Elektronen so klein, obwohl sie sich mit etwa 10⁵ m/s ungeordnet bewegen?
- Was passiert mit der Driftgeschwindigkeit, wenn derselbe Strom durch einen dünneren Draht fließt, und warum?
- Warum steigt der Widerstand eines Kupferdrahts, wenn er wärmer wird?
