überschüssige Ladungsträger eines metallischen Leiters

2 Antworten

Mit den "überschüssigen Ladungsträgern eines Leiters" können hier nur Ladungsträger gemeint sein, die die elektrische Neutralität des Leiters verletzen. Diese Protonen oder Elektronen (je nach Polarität der Ladung) müssten eigentlich aus dem Leiter exportiert werden und siedeln sich an der Oberfläche an, während im Innern des Leiters alle Atome neutral sind. Anders gesagt: An der Oberfläche eines geladenen Körpers herrscht entweder ein Elektronenmangel oder ein Elektronenüberschuss.

Ok. Ich stell mal ein anderes Beispiel, was zu meinem Verständnisproblem hinsichtlich des Themas führt:

Quelle: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/efeld/materie.vlu/Page/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/efeld/kapitel4/materie02.vscml.html

Eine positive Probeladung wird in die Nähe eines Metallklotzes gebracht. Das elektrische Feld der Probeladung wirkt auf die frei beweglichen Elektronen ein, sodass sich diese Elektronen an der Oberfläche sammeln. Daraus soll resultieren, dass das Innere des Metallklotzes feldfrei ist (Faradayscher Käfig). Im Inneren befinden sich doch aber nun die positiv geladenen Atomrümpfe. D.h. im Inneren befindet sich ein elektrisches Feld, bewirkt durch die positiven Ladungen. Warum ist das Innere des Metallklotzes feldfrei?

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@shangoe

Bei der durch die Punktladung erzeugten Influenz ensteht zwar eine Ladungstrennung im Metallklotz, die Feldlinien verlaufen aber von der äußeren Metallschicht mit der negativen Ladung senkrecht zur Oberfläche nach außen zur positiven Ladung . Es existiert zwar eine Potentialdifferenz zwischen dem gesamten Klotz-Inneren und der Außenhaut, aber ohne allmählichen Übergang, ohne die den Potential-Gradientenverlauf anzeigende Feldlinien, somit feldfrei.

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Ich vermute eher, das damit die Elektronen der äußeren Schale gemeint sind, die bei der Metallbindung abgespalten werden. Diese Elektronen sind (dem Verständnis er atomistischen Sicht nach) frei zwischen den Ionen beweglich (sog. Elektronengas) und bewirken neben der Leitfähigkeit zudem die Bindung zu sämtlichen Nachbarteilchen im Gitter. Das ist wesentlicher Unterschied der Metallbindung zur Ionenbindung oder der kovalenten Bindung.

Die Idee, Protonen als positive Ladunsträger zu haben und diese dann noch an die Oberfläche der Gitterstruktur zu hieven, ist mir neu.

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Evtl. möchte Dir dein Buch die elektrische Leitfähigkeit erklären, ohne Dich mit Quantemechanik zu belasten. Das wäre völlig in Ordnung falls Du Schüler/Azubi bist. Die atomistische Sicht (Elektronen sind kleine Kugeln, in Metallgittern gibt es ein Elektronengas usw.) stößt allerdings an Grenzen, eine hast Du gefunden. Das spricht für Dich. Eine andere wäre z. B. der Meßwert von Zink beim Hall-Effekt, der hat schlichtweg das falsche Vorzeichen.

Wenn Dich die nächst bessere Theorie interessiert, ist "Bändermodell" das Stichwort.

Das Bändermodell ist mir bekannt. Für den metallischen Leiter gilt, dass sich Valenzband und Leitungsband überlappen. Die Leitung findet dann sowohl im Leitungs- als auch im Valenzband statt.

Aber das hilft mir nicht bei der Vorstellung, warum sich die Elektronen auf der Metalloberfläche befinden sollen.

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@shangoe

Dein Buch spricht ja nur von den "überschüssigen" Elektronen, bei Ruhe (kein Stromfluss). Das sind wahrscheinlich die äußeren Elektronen der Gitterbausteine gemeint. Diese "gehören" quasi allen Gitterbausteinen gemeinsam.

Damit das funktioniert, werden sie als ebene Materiewellen aufgefasst, die (im wesentlichen) ungehindert im gesamten Kristall (das gesamte Kristall ist anschaulich quasi ein einziges, riesiges Molekül) rumflitzen. Einzige Beschränkung dieser Bewegungsfreiheit ist die Oberfläche(!) des Riesenmoleküls, an der werden sie reflektiert.

Es gibt keine räumliche Position, den man diesen Elektronen (die den Materiewellen entsprechen) zuordnen könnte!

Die Frage ist, ob Dein Buch Materiewellen, Pauli-Verbot etc. kennt, oder nicht. Wenn nicht, ist der von die zitierte Satz der Versuch, die Eigenschaften eines Leiters im atomistischen Modell zu beschreiben. Falls Dein Buch diese Themen vorher erklärt, verstehe ich das Zitat leider auch nicht.

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@Rudolf314

Falls Dir das Bändermodel nur vorgestellt aber nicht quantenmechanisch erklärt wurde, dürfte die obige Erklärung völlig nutzlos für Dich sein. Wie gesagt, man kann das nicht sauber ohne Quantenmechanik erklären, ein Versuch es anschaulich zu machen hat ohne Quantenmechanik immer Fehler.

Nach dieser Vorwarnung: Die äußeren Elektronen der Metallverbindung bewegen sich auf Bändern, die den gesamten Kristall umspannen. Da die Bänder das ganze Kristall umsapnnen, laufen die überschüssigen Elektronen an der Oberfläche.

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@Rudolf314

Mit Quantenmechanik habe ich schon etwas zu tun gehabt. In deinem obigen Kommentar sprichst du, so wie ich das verstanden habe, von Dingen wie der Heisenbergschen Unschärferelation und der Delokalisation der Elektronen in der Metallbindung (man kann ja die Metallbindung auch mit der MO-Theorie beschreiben, indem man den gesamten Metallkristall als riesiges Molekül auffasst, dessen Molekülorbitale sich über den gesamten Kristall erstrecken).

Mit dem Bändermodell konnte ich mir die elektrische Leitung eigentlich immer ganz gut vorstellen, sofern man denn bei solchen Dingen von "vorstellen" sprechen kann, ist ja doch alles recht abstrakt.

Ich frage mich dann nur, warum man in solchen Büchern so rumzueiern beginnt und das (wie jetzt bei mir) eher zu Verwirrung führt als dass es konstruktiv ist.

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@shangoe

"Molekülorbitale über den ganzen Kristall", das ist es. :-)

Die Frage, warum es so viele schlechte Lehrbücher gibt, ist deutlich schwieriger zu beantworten als die Originalfrage. :-)) Ich persönlich ziehe wenige, umfassende Werke vor, da sich dann der Autor wenigstens damit auseinandersetzen muss (ob das von Erfolg gekrönt ist, steht auf einem anderen Blatt), wann er was wie erklärt und wann er was wie vereinfacht.

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@Rudolf314

Nun gut, ich denke dein Satz "[...] ein Versuch es anschaulich zu machen hat ohne Quantenmechanik immer Fehler" ist ein recht guter Abschluss zu dieser Frage. Vielen Dank an dich und an dompfeifer.

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