Warum sind manche Leiter nicht ohmsch?

Der Begriff „nicht ohmsch“ bezieht sich auf das Verhalten bestimmter Materialien, die nicht dem Ohmschen Gesetz gehorchen, das besagt, dass der Strom durch einen Leiter bei konstanter Temperatur direkt proportional zur Spannung an ihm ist. Mit anderen Worten: Bei nichtohmschen Leitern ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom keine gerade Linie. Dieses Verhalten kann auf verschiedene Faktoren zurückgeführt werden, die die Leitfähigkeit des Materials beeinflussen. Hier eine ausführliche Erklärung:

  1. Temperaturabhängigkeit:
    • Ein häufiger Grund für nicht-ohmsches Verhalten ist die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur. Bei vielen Materialien, insbesondere Halbleitern und einigen Elektrolyten, ändert sich die Leitfähigkeit erheblich mit der Temperatur. Mit zunehmender Temperatur kann sich die Beweglichkeit von Ladungsträgern (Elektronen oder Ionen) ändern, was sich auf die Gesamtleitfähigkeit auswirkt und zu einer Abweichung vom Ohmschen Gesetz führt.
  2. Halbleiter:
    • Halbleiter wie Silizium und Germanium sind klassische Beispiele für nicht-ohmsche Leiter. Im Gegensatz zu Metallen, bei denen Ladungsträger (Elektronen) eine hohe Mobilität aufweisen, ist die Leitfähigkeit von Halbleitern sehr empfindlich gegenüber der Temperatur und der Ladungsträgerkonzentration. Eine Erhöhung der Temperatur oder eine Änderung des Dotierungsniveaus kann zu nichtlinearen Änderungen der Leitfähigkeit führen.
  3. Lichtabhängigkeit (Fotoleitfähigkeit):
    • Einige Materialien zeigen bei Lichteinwirkung ein nicht-ohmsches Verhalten. Dieses Phänomen wird als Photoleitfähigkeit bezeichnet. In fotoleitenden Materialien erhöht die Anwesenheit von Licht die Anzahl der Ladungsträger, was zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom führt. Dieser Effekt wird häufig bei bestimmten Arten von Fotowiderständen und Fotodioden beobachtet.
  4. Ionisch leitfähige Materialien:
    • Elektrolyte, bei denen es sich um ionenleitende Materialien handelt, können auch nicht-ohmsches Verhalten zeigen. Die Bewegung der Ionen in diesen Materialien wird durch Faktoren wie die Ionenkonzentration und das Vorhandensein von Verunreinigungen beeinflusst. Änderungen dieser Parameter können zu Schwankungen der Leitfähigkeit führen, die nicht strikt dem Ohmschen Gesetz entsprechen.
  5. Ungleichmäßiger Querschnitt:
    • In einigen Fällen kann eine ungleichmäßige Querschnittsfläche des Leiters zu einem nicht ohmschen Verhalten führen. Querschnittsschwankungen können zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung führen und den Gesamtwiderstand des Materials beeinflussen.
  6. Schwellenspannung in Halbleiterbauelementen:
    • In Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren ist das Spannungs-Strom-Verhältnis stark nichtlinear. Diese Geräte weisen eine Schwellenspannung auf, unterhalb derer nur wenig Strom fließt und oberhalb derer der Strom schnell ansteigt. Dieses Verhalten ist entscheidend für ihre Funktion in elektronischen Schaltkreisen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Leiter ein nicht-ohmsches Verhalten zeigen, wenn bestimmte Faktoren wie Temperatur, Lichteinwirkung, Materialeigenschaften und Strukturschwankungen zu Abweichungen von der durch das Ohmsche Gesetz vorgeschriebenen linearen Beziehung zwischen Spannung und Strom führen. Das Verständnis und die Charakterisierung des nicht-ohmschen Verhaltens sind für die Entwicklung und Analyse elektronischer Komponenten und Systeme, in denen diese Materialien verwendet werden, von entscheidender Bedeutung.

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