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Erklärung mithilfe des Teilchenmodells
Um zu erklären, weshalb bestimmten Drähten aufgrund ihres Verhaltens im Widerstandsdiagramm spezifische Materialien zugeordnet werden können, ist es nützlich, das Teilchenmodell in Betracht zu ziehen. Das Teilchenmodell hilft uns zu verstehen, wie sich Atome und Elektronen in einem Festkörper verhalten und wie dies elektrische Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Widerstand beeinflusst.
Konstantan vs. Eisendraht
Konstantan ist eine Legierung mit einem sehr stabilen elektrischen Widerstand über einen weiten Temperaturbereich. Das bedeutet, dass sich der Widerstand von Konstantan bei Erwärmung nur sehr wenig ändert. Eisendraht hingegen besitzt einen Widerstand, der mit steigender Temperatur deutlich zunimmt.
Teilchenmodell und Elektrischer Widerstand
Das Teilchenmodell beschreibt Materie als aus kleinen Teilchen aufgebaut, die in ständiger Bewegung sind. Im Kontext von Festkörpern sind diese Teilchen Atome oder Moleküle, die in einem kristallinen Gitter angeordnet sind. Elektronen können durch dieses Gitter fließen, was den elektrischen Strom darstellt. Der Widerstand stellt eine Art "Reibung" für die fließenden Elektronen dar.
- Bei
Konstantan sind die Elektronen in der Lage, verhältnismäßig frei durch das Material zu fließen, da die strukturelle Zusammensetzung der Legierung auch bei Temperaturerhöhungen weitgehend stabil bleibt. Dadurch ändert sich der Widerstand mit der Temperatur nur geringfügig. Dies kann anhand des Teilchenmodells erklärt werden, indem die starke Bindung zwischen den Atomen in der Legierung betrachtet wird, die die Beweglichkeit der Elektronen auch bei Erwärmung nur minimal beeinträchtigt.
- Bei
Eisendraht hingegen führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer stärkeren Bewegung der Atome im Gitter, was es für Elektronen schwieriger macht, hindurchzukommen. Dies erhöht den Widerstand. Das Teilchenmodell unterstützt diese Beobachtung durch die Annahme, dass die thermische Expansion des Gitters die Anzahl der Kollisionen zwischen Elektronen und Atomen erhöht, was wiederum den Widerstand steigert.
Zuordnung im Diagramm
Basierend auf dieser Erklärung lässt sich erwarten, dass der Draht, dessen Widerstand mit der Temperatur weniger stark ansteigt (fast konstant bleibt), dem
Konstantandraht (1) entspricht. Der andere Draht, dessen Widerstand mit steigender Temperatur deutlicher zunimmt, wäre demnach
Eisendraht (2). Diese Zuordnung basiert auf dem oben beschriebenen Verhalten der Materialien, welches anhand des Teilchenmodells der Materie und den Auswirkungen der Temperatur auf die Bewegung der Teilchen und die Elektronenleitung erläutert werden kann.
