Grundlagen der Werkstoffkunde

 

Nach der heutigen Vorstellung bestehen Atome aus einem Atomkern, der winzig klein ist und in dem fast die gesamte Masse des Atoms vereint ist.

Um den Kern kreisen Elektronen, die von elektromagnetischen Kräften zwischen den Kernteilchen und den Elektronen auf der Bahn gehalten werden. Zwischen dem Kern und den Elektronen befindet sich "NICHTS" außer dem elektromagentischen Feld. NICHTS bedeutet NICHTS!

 

Die Größenverhältnisse können sich folgendermaßen vorgestellt werden: Wenn die Umlaufbahnen die Zuschauerränge eines Fussballstadions wären, dann wäre der Kern ein Reiskorn im Anstosskreis auf dem Spielfeld. Die Elektronen, die den Kern auf den Zuschauerrängen wie eine Laola Welle umkreisen hätten die Größe eines Sandkorns.

 

Atomaufbau

 

Bei der Darstellung von Atomen werden die Größenverhältnisse der Atombestandteile nicht berücksichtigt. Das Bild auf der rechten Seite zeigt die Darstellung eines Atoms mit Atomkern und den Umlaufbahnen.

 

Ein Atom besteht aus:

• Neutronen (im Kern): elektrisch neutral → Abkürzung: n
• Protonen (im Kern): elektrisch positiv (+) → Abkürzung: p
• Elektronen (auf den Umlaufbahnen): elektrisch negativ (-) → Abkürzung: e

 

Um den Atomkern kreisen Elektronen auf festgelegten Umlaufbahnen, sogenannten Schalen. Folgende grundlegenden Eigenschaften gelten:

• Die Anzahl von Protonen legt fest, um welchen Stoff es sich handelt (z.B.: 1 Proton → Wasserstoff, 29 Protonen → Kupfer)
• Die Anzahl der Elektronen = Anzahl der Protonen → Normalzustand eines Atoms
• Die Elektronen werden auf den Schalen verteilt: jede Schale kann nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen aufnehmen. Es wird immer von innen nach außen aufgefüllt. Folge: In der Regel besitzt nur die äußerste Schale nicht die volle Anzahl an Elektronen. Es gibt insgesamt 7 Schalen mit folgenden Bezeichnungen und maximaler Anzahl an Elektronen:ds
  
  1. K-Schale: max. 2 Elektronen (innerste Schale)
  2. L-Schale: max. 8 Elektronen
  3. M-Schale: max. 18 Elektronen
  4. N-Schale: max. 32 Elektronen
  5. O-Schale: max. 50 Elektronen
  6. P-Schale: max. 72 Elektronen
  7. Q-Schale: max. 98 Elektronen
• Da Anzahl der Elektronen = Anzahl der Protonen gilt, wirkt das Atom nach außen hin neutral
• Die Anzahl der Neutronen weicht oftmals von der Anzahl der Protonen abweichen. Es gibt sogar verschiedene Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber einer unterschiedlichen Zahl an Neutronen. Dann liegt das gleiche Element vor nur mit anderem Gewicht. Die Bezeichnung ist dann "Isotop". Beispiel: Es gibt Uran 235 (92 Protonen und 235 - 92 = 143 Neutronen im Kern) und Uran 238 (92 Protonen und 238 - 92 = 146 Neutronen im Kern)

 Beispiele (ohne Neutronen gezeichnet):

 

Zwischen elektrischen Ladungen wirken elektrische Kräfte. Gleichnamige Ladungen ziehen sich an und und ungleichnamige Ladungen stoßen sich ab (linkes Teilbild).

 

Durch die Kreisbewegung der Elektronen auf der Schale um den Kern wirken Fliehkräfte und würden das Elektron aus der Umlaufbahn bringen. Den Fliehkräften wirken jedoch gleichgroße elektrische Anziehungskräfte entgegen und halten das Elektron auf der Schale. Je weiter die Elektronen vom Kern entfernt sind (äußere Schalen), desto geringer sind die elektrischen Anziehungskräfte und desto größer sind die Fliehkräfte. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass sich Elektronen auf den äußeren Bahnen leichter vom Atom trennen, als Elektronen auf den inneren Bahnen.

 

Elektrische Leitfähigkeit von Metallen

 

Werden mehrere Atome zusammengebracht, so entstehen aufgrund der elektrischen Kräfte Wechselwirkungen zwischen den Atomen. Die Wechselwirkungen werden als Bindungen bezeichnet und sind dafür verantwortlich, welche Materialeigenschaften ein Stoff besitzt. Metalle sind gute elektrische Leiter und daher die in der Elektrotechnik am meisten verwendeten Werkstoffe. Die gute elektrische Leitfähigkeit entsteht durch die Art der Bindung, welche die Metallatome miteinander eingehen.

Metallatome besitzen nur wenige Elektronen auf der äußersten Schale (diese werden als Valenzelektronen bezeichnet). Kupfer (Cu) besitzt zum Beispiel nur ein Valenzelektron und Aluminium (Al) nur drei Valenzelektronen. Im Allgemeinen sind Atome bestrebt, möglichst volle Schale anzustreben. Dies wird als Edelgaskonfiguration bezeichnet. 

• Atome, die nur wenige Elektronen auf der äußersten Schale besitzen, geben dieses daher leicht ab (Es ist leichter ein Elektron abzugeben, als z.B. 7 Atome aufzunehmen, um die L-Schale zu füllen), um Edelgaskonfiguration zu erreichen (Bild rechts).
• Atome, bei denen nur wenige Elektronen fehlen um eine Schale zu füllen, nehmen eher Elektronen auf um Edelgaskonfiguration zu erreichen (Bild links).

 

Da Metallatome nur wenige Atome auf der äußersten Schale besitzen, geben Sie daher eher Elektronen ab um Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dadurch entstehen positive Metallionen, die sich zu einem stabilen Metall- oder Raumgitter verbinden. Das folgende Bild zeigt den schematischen Aufbau.

 

 

Während sich die positiven Metallionen zu einem festen Ionengitter verbinden, können sich die abgegebenen Valenzelektronen innerhalb des Gitters fast ungehindert bewegen. Deshalb werden diese Elektronen auch als freie Elektronen bezeichnet.

• Jedes freie Elektron besitzt eine winzige elektrische Ladung, die Elementarladung e. Sie beträgt: e = 1,6 · 10^-19 As
• Im Ruhezustand bewegen sich die Elektronen zufällig im Leiter. Die Elementarladungen sind im Schnitt immer gleichmäßig verteilt.
• Bewegen sich freie Elektronen durch eine äußere Kraft gemeinsam in eine Richtung, so entsteht ein elektrischer Strom.

 

Elektrischer Strom ist nicht weiteres als die Wanderung freier Elektronen in eine gemeinsame Richtung innerhalb eines elektrischen Leiters.

Elektrische Spannung ist für die Kraft verantwortlich, die freie Elektronen in eine gemeinsame Richtung treibt.

 

• Je mehr freie Elektronen sich pro Zeiteinheit in eine Richtung bewegen, desto größer ist der Strom.
• Je größer die Kraft (Spannung) ist, die freie Elektronen in eine Richtung treibt, desto mehr freie Elektronen bewegen sich pro Zeiteinheit in eine Richtung und desto größer ist der Strom.
• Je ungehinderter freie Elektronen durch den Leiter wandern können, desto kleiner ist der Widerstand des Leiters und desto größer ist der Strom.