Werkstoffe der Elektrotechnik

Der russische Chemiker Mendelejew und der Karlsruher Prof. Meyer ordneten (unabhängig voneinander) vor mehr als einem Jahrhundert die damals bekannten 63 Elemente nach ihren Eigenschaften, die sich periodisch mit steigendem Atomgewicht wiederholten. Dieses Schema nannte man später das Periodensystem der Elemente. Die beobachtete Regelmäßigkeit konnte lange nicht begründet werden, bis zur Entdeckung des Ausschließungsprinzips durch den Physiker Wolfgang Pauli. Zusammen mit der aus dem Bohrschen Atommodell folgenden Tatsache, dass Elektronen im Atom nur bestimmte Energiezustände annehmen können, erklärt es die Elektronenkonfiguration der Elemente. Diese Gesetzmäßigkeiten werden in Kapitel 1.1 besprochen. Die Quantenmechanik bildet auch die Grundlage für das Verständnis der Atomund Molekülorbitale, mit denen die verschiedenen Arten der chemischen Bindung erklärbar sind (Kapitel 1.2). Die drei Aggregatzustände der Materie werden in 1.3 besprochen, mit dem Schwerpunkt auf den Kristallstrukturen. Die Gittereigenschaften und die Energiebänder der Festkörper, die bei der Vereinigung einzelner Atome zum Festkörper entstehen, erklären die verschiedenen Arten von Festkörpern - Metalle, Halbleiter und Isolatoren - und ihre mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften (Kapitel 1.4).

Mehr als drei Viertel aller Elemente liegen bei Raumtemperatur im metallischen Zustand vor. Metalle und metallische Legierungen zeichnen sich durch eine Reihe von günstigen Eigenschaften aus, die die unerschöpfliche Vielfalt von Anwendungen als Widerstand, Leiter und Supraleiter und als Konstruktionswerkstoff ausmachen. Hervorzuheben ist vor allem die hohe Konzentration beweglicher Elektronen, mit der die hohe elektrische Leitfähigkeit, die hohe Wärmeleitfähigkeit, der metallische Glanz und die plastische Verformbarkeit verbunden sind. Allgemein kann Folgendes zum Verhalten von Metallen festgehalten werden: Metalle besitzen spezifische Widerstände zwischen 10^-6 Ωcm und 10^-4 Ωcm, der Widerstand nimmt mit der Temperatur zu; es gilt das Ohmsche Gesetz, d. h. der Strom wächst linear mit der Spannung, bei tiefen Temperaturen besitzen Metalle nach der Matthiessenschen Regel einen endlichen Restwiderstand; nahe dem absoluten Nullpunkt werden viele Metalle und Legierungen supraleitend.

Als Halbleiter bezeichnet man Werkstoffe, die hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit eine Mittelstellung zwischen den metallischen Leitern und den Isolatoren einnehmen. Die Abgrenzung zu den Isolatoren ist nicht prinzipieller Natur, sondern wird häufig nach Zweckmäßigkeit vorgenommen. Obwohl erste Untersuchungen und auch Anwendungen der Halbleiterwerkstoffe mehr als einhundert Jahre zurückreichen, konnte die stürmische Entwicklung der Halbleitertechnik erst in den 50er Jahren einsetzen, nachdem die Grundlagenforschung zwei wichtige Voraussetzungen geschaffen hatte: die Herstellung nahezu perfekter Einkristalle höchster Reinheit und das zum Verständnis der Halbleiter unentbehrliche Bändermodell der Elektronen im Kristallgitter.

Bei der Untersuchung von elektrischen Feldern in Kondensatoren zeigt sich, dass diese Felder durch die Anwesenheit elektrischer Dipole beeinflusst werden und umgekehrt. So besitzen polare Moleküle permanente elektrische Dipolmomente, die sich unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes so zu drehen versuchen, dass sie entgegengesetzt parallel zum Feld stehen. In nichtpolaren Molekülen und in Atomen werden durch das äußere elektrische Feld ebenfalls in entgegengesetzter Feldrichtung elektrische Dipolmomente induziert, d. h. die neuentstandene Ladungsverteilung wirkt wie ein Dipol. In beiden Fällen wird das äußere elektrische Feld durch die entgegengesetzt gerichteten Dipolmomente geschwächt.

Nichtlineare Widerstände zeigen eine definierte Abhängigkeit ihres spezifischen Widerstandes von der Temperatur, der angelegten Spannung bzw. Feldstärke oder anderen Größen. Bei den temperaturabhängigen Widerständen unterscheidet man zwischen Heißleitern mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (NTC: TK_ρ < 0) und Kaltleitern mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC: TK_ρ > 0).

Beim Magnetismus treten ähnliche Effekte wie in Dielektrika auf, die hier allerdings etwas komplizierter sind. Atome besitzen zum einen wegen der Bewegung der Elektronen um den Kern ein permanentes magnetisches Dipolmoment, das sogenannte Bahnmoment, zudem haben auch die Elektronen selbst aufgrund ihres Spins ein permanentes magnetisches Moment (Spinmoment). Das gesamte magnetische Moment eines Atoms als Summe von Bahn- und Spinmoment wird damit von seiner Elektronenkonfiguration bestimmt. Anders als bei elektrischen Dipolen führt die Ausrichtung eines permanenten magnetischen Dipols in einem äußeren magnetischen Feld zu einer Verstärkung dieses Feldes.