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SG071a Das Elektronengas-Modell

© H. Hübel Würzburg 2013

Ladungstransport und Stromrichtung

Energietransport im Stromkreis

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Das Elektronengas-Modell ist ein Modell zur vereinfachten Beschreibung von Elektronen in Metallen. Bei Metallen sind Metallatome im Metallgitter regelmäßig angeordnet. Typischerweise ist ca. ein atomares Elektron so schwach an sein Atom gebunden, dass es sich quasi frei durch das Metall bewegen kann. Man kann auch sagen, dass jedes Metallatom typischerweise ca. ein Elektronen an das Metallgitter abgibt. Weil solche Elektronen auch den elektrischen Strom transportieren können, heißen sie auch Leitungselektronen.

In vielen Fällen kann man so tun, als würden an Transportvorgängen (Strom und innere Energie) die freien Leitungselektronen des Elektronengas-Modells teilnehmen. Sie transportieren bei einer angelegten Spannung einen elektrischen Strom durch den Leiter. Mit der Annahme freier Elektronen im Metall kann man einige Eigenschaften qualitativ klären, z.B. das Entstehen des Ohm'schen Gesetzes nach der Drude-Theorie.

Leider wurde in der Didaktik vor kurzem unter dem Namen Elektronengas-Modell ein völlig anderes Modell eingeführt, das mit dem Elektronengas-Modell der Physik nichts zu tun hat.

Die Quantenphysik lehrt, dass die freien Elektronen ohne eine Messung keinen Ort haben. Sie gehören dem ganzen Metallgitter an. Die Quantenphysik lehrt auch, dass man solche Elektronen durch ein Bändermodell beschreiben muss. Danach gibt es ein Valenzband und ein Leitungsband, jedes mit sehr vielen Energiestufen (Energieniveaus). Maximal zwei Elektronen können dieselbe Energiestufe einnehmen. Bei Metallen ist das Leitungsband nur teilweise besetzt. Am absoluten Temperaturnullpunkt gibt es eine höchste Energiestufe mit recht hoher Energie (typisch wenige eV), die Fermienergie EF an der Fermikante. Sie liegt bei Metallen im Leitungsband. Höhere Energiestufen im Leitungsband können nur mit zunehmender Temperatur besetzt werden. Am Stromtransport z.B. nehmen nur Elektronen mit Energien nahe EF teil aus einer Zone um EF mit temperaturabhängiger Breite.

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( Oktober 2020 )