E2 Strom, Widerstand und Ohmsches Gesetz

Thema

Elektrischer Strom ist der Fluss derselben Ladung, die im vorherigen Modell durch einen Leiter beschrieben wurde: die Ladungsmenge, die pro Sekunde durch einen bestimmten Querschnitt fließt. Das Ohmsche Gesetz besagt, dass in vielen Materialien diese Potenzialdifferenz direkt proportional zum durchfließenden Strom ist. Diese Proportionalität entspricht dem elektrischen Widerstand des Leiters.

Dieser Widerstand ist keine willkürliche Eigenschaft des Leiters, sondern hängt von drei Faktoren gleichzeitig ab: Das Material bestimmt seinen spezifischen Widerstand, der bei Kupfer sehr niedrig und bei Isolatoren extrem hoch ist; eine größere Länge erhöht den Widerstand, da die Ladung einen längeren Weg zurücklegen muss; und eine größere Querschnittsfläche verringert ihn, da für dieselbe Ladung mehr parallele Wege zur Verfügung stehen. Wenn Strom durch einen Widerstand fließt, wird Leistung in Form von Wärme – dem Joule-Effekt – umgesetzt. Diese umgesetzte Leistung steigt viel schneller an als der Strom selbst: Eine moderate Stromerhöhung führt zu einer deutlich größeren Zunahme der erzeugten Wärme. Es existiert auch eine lokale Version des Ohmschen Gesetzes, die die Stromdichte punktuell innerhalb eines Materials mit dem dort vorhandenen elektrischen Feld und der Leitfähigkeit dieses Punktes in Beziehung setzt. Diese lokale Version erklärt das interne Verhalten moderner Halbleiterbauelemente. Die Grenzen der zulässigen Stromdichte – bedingt durch Erwärmung und die Materialdegradation bei diesen Dichten – sind einer der Faktoren, die die Miniaturisierung von Transistoren begrenzen. Dieses Thema wird in einem späteren Modul dieses Katalogs erneut aufgegriffen.

Daher zeigt dieses Modul, das mit dem Fluss einer Ladung durch einen Leiter beginnt, abschließend, dass das Ohmsche Gesetz, das in der Elektronik am einfachsten erscheint, auf lokaler Ebene innerhalb eines Materials eine zweite Bedeutung erlangt. Dies stellt heute eine der strengsten physikalischen Beschränkungen im Halbleiterdesign dar.

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