- Kontaktelektrizität
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Als Kontaktelektrizität, Kontaktspannung, Kontaktpotential, Berührungselektrizität oder auch Berührungsspannung (nicht zu verwechseln mit der Berührungsspannung bei elektrischen Geräten) werden zusammenfassend elektrische Phänomene bezeichnet, die an Grenzflächen zwischen verschiedenen Substanzen bzw. zwischen einer Substanz und der Umgebung (z. B. Vakuum) vorkommen. Der Begriff „Kontaktelektrizität“ wurde von Alessandro Volta geprägt und stand damals im Gegensatz zur älteren These der „animalischen (tierischen) Elektrizität“, die auf Luigi Galvani und seine Versuche mit Froschschenkeln zurückgeht. Mit dem zunehmenden Verständnis der elektrischen Phänomene wurde im Laufe des 19. und frühen 20. Jahrhunderts klar, dass die als „Kontaktelektrizität“ bezeichneten Phänomene sehr unterschiedlicher Natur sind, und der Begriff wird in der modernen Physik nicht mehr verwendet.
Phänomene der „Kontaktelektrizität“
- Bei Metallen und anderen elektrischen Leitern im Vakuum oder in Gasen bezeichnet „Kontaktpotential“ die Differenz der Austrittsarbeiten zweier Materialien. Sind zwei unterschiedliche Metalle elektrisch leitfähig verbunden (in Kontakt), sind die Fermienergien der Metalle gleich, es herrscht jedoch an den Stellen, wo sie sich nicht berühren, ein (schwaches) elektrisches Feld. Werden die Metalle getrennt und sind sie von der Umgebung elektrisch isoliert, so bleibt das Feld bestehen; die Metalle haben dann kleine elektrische Ladungen. Das „edlere“ Metall, also das mit der höheren Austrittsarbeit, ist negativ, das mit der kleineren Austrittsarbeit positiv. (Das Kontaktpotential stellt sich so ein, dass ein Elektron auf dem Weg vom "unedleren" zum "edleren" Metall beim Durchqueren des Potentials genau die Energie aufwenden muss, die es durch die Differenz der Austrittsarbeiten der zwei Metalle erhalten würde; so dass der Energieerhaltungssatz gilt, der also ohne das Kontaktpotential verletzt wäre.). Wenn die Metalle weiter voneinander entfernt werden, bleibt die Ladung erhalten und es kommt zu einer zunehmenden Spannung zwischen den Metallen (Volta-Effekt). Diese Spannung ist in der Praxis allerdings nur schwierig zu beobachten, weil die geringen Ladungen nur bei sehr guten Isolatoren erhalten bleiben und sonst abfließen.
- Die Elektronenröhre besteht aus mindestens zwei voneinander isolierten Metallelektroden im Vakuum. Die geheizte Kathode hat eine geringe Austrittsarbeit. Als Kontaktpotential bei Elektronenröhren wird die Spannung bezeichnet bei der Sättigung beginnt, der Anodenstrom bei steigender Anodenspannung kaum mehr steigt[1].
- Bei Isolatoren tritt ein ähnlicher Effekt auf und bewirkt die Reibungselektrizität; hier gibt es jedoch keinen wohldefinierten Ladungsausgleich bei Berührung und daher ist der Begriff des Kontaktpotentials nicht definiert. Die elektrische Aufladung kann nicht exakt erfasst werden, es gibt nur eine qualitative reibungselektrische Spannungsreihe, die angibt, welches von zwei Materialien sich bei gegenseitigem Kontakt positiv oder negativ auflädt.
- Der Begriff der Kontaktelektrizität wurde von Volta auch für die Voltasche Säule verwendet, eine Urform der Galvanischen Zelle und elektrischen Batterie. Es wurde erst später erkannt, dass in diesem Fall elektrochemische Reaktionen für die Elektrizität verantwortlich sind. Die „Kontaktspannung“ ist hier durch das elektrochemische Potential oder durch den Unterschied der beiden Elektroden in der elektrochemischen Spannungsreihe bestimmt.
Schließlich wird das Wort „Kontaktpotential“ manchmal mit der Thermoelektrizität in Zusammenhang gebracht, bei der auch eine Spannung zwischen verschiedenen Metallen auftritt (Thermospannung, Seebeck-Effekt). Es handelt sich dabei aber um keinen Oberflächeneffekt, sondern um die Auswirkung einer Asymmetrie der Zustandsdichte der Elektronen bei der Fermienergie im Inneren der Festkörper. Daher ist in diesem Zusammenhang die Verwendung des Wortes „Kontaktpotential“ oder „Kontaktspannung“ nicht sinnvoll.
Weblinks
- Nahum Kipnis: Changing a Theory: The Case of Volta’s Contact Electricity. (Wissenschaftshistorischer Artikel über die Entwicklung des Begriffs der Kontaktelektrizität; englisch), abgerufen am 5. Februar 2010.
Einzelnachweise
- ↑ H. Barkhausen: Lehrbuch der Elektronenröhren. 1. Band Allgemeine Grundlagen. 11. Auflage. S. Hirzel Verlag, 1965, S. 41 (Kap. 4 Anlaufstrom).
- Bei Metallen und anderen elektrischen Leitern im Vakuum oder in Gasen bezeichnet „Kontaktpotential“ die Differenz der Austrittsarbeiten zweier Materialien. Sind zwei unterschiedliche Metalle elektrisch leitfähig verbunden (in Kontakt), sind die Fermienergien der Metalle gleich, es herrscht jedoch an den Stellen, wo sie sich nicht berühren, ein (schwaches) elektrisches Feld. Werden die Metalle getrennt und sind sie von der Umgebung elektrisch isoliert, so bleibt das Feld bestehen; die Metalle haben dann kleine elektrische Ladungen. Das „edlere“ Metall, also das mit der höheren Austrittsarbeit, ist negativ, das mit der kleineren Austrittsarbeit positiv. (Das Kontaktpotential stellt sich so ein, dass ein Elektron auf dem Weg vom "unedleren" zum "edleren" Metall beim Durchqueren des Potentials genau die Energie aufwenden muss, die es durch die Differenz der Austrittsarbeiten der zwei Metalle erhalten würde; so dass der Energieerhaltungssatz gilt, der also ohne das Kontaktpotential verletzt wäre.). Wenn die Metalle weiter voneinander entfernt werden, bleibt die Ladung erhalten und es kommt zu einer zunehmenden Spannung zwischen den Metallen (Volta-Effekt). Diese Spannung ist in der Praxis allerdings nur schwierig zu beobachten, weil die geringen Ladungen nur bei sehr guten Isolatoren erhalten bleiben und sonst abfließen.
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