Verständnisfrage - Elektrischer Leiter

[peeage]

Hallo zusammen, 

eins vorweg. Ich bin absoluter Laie in Bezug auf die Elektrik. Bitte habt daher Verständnis für die dementsprechend einfach ausgedrückte Fragestellung. 

Aktuell beschäftige ich mich mit dem Thema elektrische Leiter. Insbesondere ist die Frage für mich interessant wie es zum Stromfluss in einem Metall kommt. 

Gelernt habe ich, dass es aufgrund der Zusammensetzung von einem Metallatom bei dessen Bindung mit anderen Metallatomen zur Freisetzung von Elektronen kommt. Diese nun nicht mehr an ein Atom gebundene Elektronen werden durch das Anlegen eines Minus- und Pluspol (also unter Zugabe einer Spannung) in Bewegung gebracht, sprich es fließt Strom. Dabei fließen die Elektronen Richtung Pluspol. 

Nun ist der Prozess für mich als Laie sehr schwer vorstellbar. Angenommen ich verwende als elektrischen Leiter Aluminium. Wenn ich mich recht erinnere, setzt genau ein Aluminiumatom ein Elektron frei. Mein Aluminiumleiter besteht angenommen aus 10 Atomen mit 10 freigesetzten Elektronen. Nun schließe ich eine Spannungsquelle an und die Elektronen fangen an sich Richtung Pluspol zu bewegen. 

Wie kann man sich das vorstellen? Jedes der 10 Elektronen rückt Stück für Stück weiter Richtung Pluspol, und verweilt dort, fließt also nicht mehr zurück. Über den Minuspol, wo ja ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen vorhanden ist, werden 10 weitere Elektronen in den Leiter eingespeist, so dass ein ständiger Fluss Richtung Pluspol „gewährleistet“ ist? Wenn ich dann die Spannungsquelle abschalte, besitzt mein 10-atomiger Aluminiumleiter immernoch genau 10 freigesetzte Elektronen? 

Wenn dem so ist, warum benötigt man dann einen Leiter der quasi von Haus aus frei bewegliche Elektronen mit sich bringt? Es werden doch sowieso Elektronen durch die Spannungsquelle an den Leiter übergeben die dann zum Pluspol wandern.

Analog dazu: Wenn ich Wasser in einen Schlauch pumpe, ohne das vorher Wasser im Schlauch ist, dann fließt das Wasser doch auch mit Verzögerung bis zum anderen Ende. 

Wenn nun doch zwingend die freigesetzten Elektronen auf dem Leiter nötig sind damit ein Stromfluss entsteht, warum gibt man dann nicht einfach einem Nichtleiter eine Priese Elektronen hinzu und schon hat man einen elektrischen Leiter? 

Sicher schlagen nun einige Ihre Hände über dem Kopf zusammen. Ich hoffe trotzdem, dass mir jemand meine Fragen beantworten kann.

[X_Strom]

Gelernt habe ich, dass es aufgrund der Zusammensetzung von
einem Metallatom bei dessen Bindung mit anderen Metallatomen
zur Freisetzung von Elektronen kommt.

Du kannst dir die Metallatome in einem Gitter fest verankert vorstellen.
Die äußeren Elektronen sind dabei nicht mehr an ihren Atomkern gebunden, sondern füllen den Raum zwischen den Kernen aus. Man kann sich das wie eine Art Gas vorstellen.

Diese nun nicht mehr an
ein Atom gebundene Elektronen werden durch das Anlegen eines
Minus- und Pluspol (also unter Zugabe einer Spannung)
in Bewegung gebracht, sprich es fließt Strom. Dabei fließen
die Elektronen Richtung Pluspol. 

Man gibt keine Spannung zu, man legt sie an. Dadurch bildet sich ein elektrisches Feld im Leiter. Und ja, da diese Elektronen frei beweglich sind, fangen sie nun an, sich im Feld zum Pluspol zu bewegen.

Nun ist der Prozess für mich als Laie sehr schwer vorstellbar.
Angenommen ich verwende als elektrischen Leiter Aluminium.
Wenn ich mich recht erinnere, setzt genau ein Aluminiumatom
ein Elektron frei. Mein Aluminiumleiter besteht angenommen aus
10 Atomen mit 10 freigesetzten Elektronen. Nun schließe ich
eine Spannungsquelle an und die Elektronen fangen an sich
Richtung Pluspol zu bewegen. 

Wie kann man sich das vorstellen? Jedes der 10 Elektronen
rückt Stück für Stück weiter Richtung Pluspol, und verweilt
dort, fließt also nicht mehr zurück.

Es gibt ja keinen Pluspol als eigenständigen Gegenstand. Nehmen wir eine Batterie. Dort werden am Pluspol Elektronen durch einen chemischen Prozess aufgesaugt, während sich andere Elektronen am Minuspol sammeln.

Über den Minuspol, wo ja
ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen vorhanden ist,
werden 10 weitere Elektronen in den Leiter eingespeist, so
dass ein ständiger Fluss Richtung Pluspol „gewährleistet“ ist?
Wenn ich dann die Spannungsquelle abschalte, besitzt mein
10-atomiger Aluminiumleiter immernoch genau 10 freigesetzte
Elektronen? 

Ja. Richtig.

Wenn dem so ist, warum benötigt man dann einen Leiter der
quasi von Haus aus frei bewegliche Elektronen mit sich bringt?

Wenn die Elektronen nicht frei wandern können, dann fließt kein Strom.
Metalle haben Elektronen, diese sind teilweise frei: Strom kann fließen.
Isolatoren haben auch Elektronen, welche aber nicht wandern können. Da ist es auch egal, wenn man von außen welche hereindrückt - auch die fremden Elektronen können nicht wandern. Ausnahme sind Halbleiter - aber dann wird es kompliziert.
Einfache Ausnahme: Wenn ein Raum mit nichts gefüllt ist (Vakuum), dann hindert auch nichts den Elektronenfluss.
Im Vakuum bewegen sich Elektronen auch ohne leitfähiges Material.

Es werden doch sowieso Elektronen durch die Spannungsquelle an
den Leiter übergeben die dann zum Pluspol wandern.

Ja, genau das passiert im Vakuum auch.

Analog dazu: Wenn ich Wasser in einen Schlauch pumpe, ohne das
vorher Wasser im Schlauch ist, dann fließt das Wasser doch
auch mit Verzögerung bis zum anderen Ende. 

Ja. Analog dazu: Vakuum.
Analogie zum Isolator: Wenn im Wasserschlauch aber schon Beton ist, dann reicht es nicht, diesen an einen Wasserkran anzuschließen.

Wenn nun doch zwingend die freigesetzten Elektronen auf dem
Leiter nötig sind damit ein Stromfluss entsteht, warum gibt
man dann nicht einfach einem Nichtleiter eine Priese
Elektronen hinzu und schon hat man einen elektrischen Leiter? 

Du hast soeben den dotierten Halbleiter erfunden.

Da werden Isolatoren mit einer Prise Atome verunreinigt, die Elektronen zur Verfügung stellen (bzw. die einen freien Platz für ein Elektron haben).

Sicher schlagen nun einige Ihre Hände über dem Kopf zusammen.

Bei meiner Antwort vermutlich auch - ich wandele auf dem schmalen Grat zwischen „korrekt“ und „verständlich“ - mit einer Vorliebe für „verständlich“, die echten Physiker mögen das entschuldigen!

[chatairliner]

Hallo,

Wenn dem so ist, warum benötigt man dann einen Leiter der
quasi von Haus aus frei bewegliche Elektronen mit sich bringt?
Es werden doch sowieso Elektronen durch die Spannungsquelle an
den Leiter übergeben die dann zum Pluspol wandern.

Analog dazu: Wenn ich Wasser in einen Schlauch pumpe, ohne das
vorher Wasser im Schlauch ist, dann fließt das Wasser doch
auch mit Verzögerung bis zum anderen Ende. 

Wenn man den Wasserhahn aufdreht, dann muss man nicht erst warten, bis das Wasser der Pumpen des Stadtwerks bis zum Wasserhahn gepumpt wurde. Und genauso ist es mit dem Strom. Die Elektronen warten in der Steckdose wie das Wasser im Wasserhahn. Das nennt man elektrische Spannung bzw. Druck beim Wasser. Dreht man den Wasserhahn auf, senkt man den Widerstand in der Leitung und es fliesst ein „Wasserstrom“. Analog dazu senkt man in einer Stromleitung/Steckdose den elektrischen Widerstand, wenn man ein Gerät anschließt/einschaltet. Es fließt ein elektrischer Strom.

https://www.youtube.com/watch?v=zLe0o_h4XO8

[j_tilde]

Hi,

Gelernt habe ich, dass es aufgrund der Zusammensetzung von
einem Metallatom bei dessen Bindung mit anderen Metallatomen
zur Freisetzung von Elektronen kommt.

nunja, frei innerhalb des Leiters Und abgestoßen werden sie IMHO von den anderen Elektronen auch noch.
Aber ja, die äußeren Elektronen der Atome, die Valenzelektronen, sind nicht an einen speziellen Atomkern gebunden sondern schwirren „überall“ hin und her.
siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Metallische_Bindung

Diese nun nicht mehr an
ein Atom gebundene Elektronen werden durch das Anlegen eines
Minus- und Pluspol (also unter Zugabe einer Spannung)
in Bewegung gebracht, sprich es fließt Strom. Dabei fließen
die Elektronen Richtung Pluspol. 

Fließen, zumindest aus dem Metall raus fließen, tun sie nur, wenn sie es auch können es also eine elektrisch leitende Verbindung gibt. Die Bewegung oder die räumliche Verlagerung geschieht bereits durch das elektrisches Feld, dass deine o.g. Spannungsquelle hervorruft.

Wenn ich mich recht erinnere, setzt genau ein Aluminiumatom
ein Elektron frei.

Richtig freigesetzt wird es in deinem Fall nicht, es folgt ja immer eines nach. Hast du ja schon selbst erkannt. Das muss nicht so sein. In einem Kondensator zB werden auf der einen Platte die Elektronen tatsächlich „abgesaugt“, während sie auf der anderen Seite „reingepumpt“ werden. Die Leiter sind dann aber nicht elektrisch neutral, sondern eben aufgeladen spricht es entsteht ein elektrisches Feld.

Wie kann man sich das vorstellen? Jedes der 10 Elektronen
rückt Stück für Stück weiter Richtung Pluspol, und verweilt
dort, fließt also nicht mehr zurück. Über den Minuspol, wo ja
ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen vorhanden ist,
werden 10 weitere Elektronen in den Leiter eingespeist, so
dass ein ständiger Fluss Richtung Pluspol „gewährleistet“ ist?

Ja, so wäre es wohl, wenn du ein ein Atom breites Metallgitter bis kurz vor der Supraleitung abgekühlt hättest
In RL, in dem sich die Elektronen ja allein schon wegen der Wärme rum schwirren, wird sich kaum eine so geordnete Bewegung einstellen.
Aber im Prinzip hast du Recht.

Wenn ich dann die Spannungsquelle abschalte, besitzt mein
10-atomiger Aluminiumleiter immernoch genau 10 freigesetzte
Elektronen? 

Ja, sonst wäre es ein geladener Kondensator und deine Aluatome quasi Ionen.

Wenn dem so ist, warum benötigt man dann einen Leiter der
quasi von Haus aus frei bewegliche Elektronen mit sich bringt?

Weil die Elektronen in anderen Materialien, zB Isolatoren, sehr fest an den Atomkern gebunden sind. Man benötigt also eine sehr hohe elektrische Feldstärke (Spannung) um diese zum Stromfluss zu lösen. Die Elektronen in den Metallen sitzen halt sehr „locker“ und fließen deshalb besonders leicht.

Es werden doch sowieso Elektronen durch die Spannungsquelle an
den Leiter übergeben die dann zum Pluspol wandern.

ja, nur müssen sich deine abgegebenen Elektronen in deinem Leiter auch einsortieren können. Wenn dein Leiter einen hohen elektrischen Widerstand hat, wird er diesem drum genau das _einen Widerstand_ entgegensetzen.

Analog dazu: Wenn ich Wasser in einen Schlauch pumpe, ohne das
vorher Wasser im Schlauch ist, dann fließt das Wasser doch
auch mit Verzögerung bis zum anderen Ende. 

Du kannst auch einen Luft oder gar nicht gefüllten Schlauch mit Elektronen füllen. Deine Feldstärke/Spannung muss halt so groß sein, dass die Elektronen diesen Abstand überwinden können. In einer Kathodenstrahlröhre, zB wie in einem Röhrenfernseher, fließen die Elektronen sogar durch ein Vakuum durch.

Wenn nun doch zwingend die freigesetzten Elektronen auf dem
Leiter nötig sind damit ein Stromfluss entsteht,

nicht zwingend, nicht nur Metalle leiten Strom. Es geht dort nur besonders leicht.

warum gibt
man dann nicht einfach einem Nichtleiter eine Priese
Elektronen hinzu und schon hat man einen elektrischen Leiter? 

Man kann einem Halbleiter wie zB Germanium ein paar Fremdatome einspeisen (Dotieren) und erhöht dadurch tatsächlich die Leitfähigkeit!

HTH
J~