Raumladung: Definition, Beispiele und Auswirkungen

Ein Raumladung ist definiert als eine Region im Raum, in der elektrische Ladungen angesammelt werden, entweder im freien Raum oder in einem dielektrischen Material. Die elektrischen Ladungen können positiv oder negativ sein und mobil oder immobiliar. Die Raumladung kann das elektrische Feld, das elektrische Potential und den Stromfluss in der Region beeinflussen.

Beispiele für Raumladung

Raumladungen können in verschiedenen Situationen auftreten, wie zum Beispiel:

• Halbleiterübergänge: Wenn ein p-dotiertes Halbleiter (mit Überschuss an Löchern) mit einem n-dotierten Halbleiter (mit Überschuss an Elektronen) in Kontakt gebracht wird, rekombinieren die Elektronen und Löcher in der Nähe des Übergangs, wodurch unbewegliche Ionen zurückbleiben. Dies schafft eine Raumladungsregion, die von mobilen Ladungsträgern entleert ist und ein elektrisches Feld aufweist, das die weitere Diffusion von Ladungen entgegenwirkt. Diese Region wird auch als Depletionszone bezeichnet.

• Elektronenröhren: Wenn eine Elektronenröhre (wie eine Vakuumröhre oder ein Thermionikumwandler) mit Energie versorgt wird, werden Elektronen von der Kathode (dem negativen Elektroden) aus emittiert und bewegen sich zur Anode (dem positiven Elektroden). Allerdings benötigen die Elektronen eine endliche Zeit, um die Röhre zu durchqueren, und sie können eine Wolke negativer Ladungen in der Nähe der Kathode bilden. Dies schafft eine Raumladungsregion, die die emittierten Elektronen abstoßen und den Stromfluss reduzieren. Diese Region wird auch als Kathodenfall oder virtuelle Kathode bezeichnet.

  

Raumladungen können sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf verschiedene Geräte und Anwendungen haben, wie zum Beispiel:

• Thermionische Umwandler: Thermionische Umwandler sind Geräte, die Wärme in Elektrizität umwandeln, indem sie thermionische Emission verwenden, bei der Elektronen von einer heißen Metallfläche emittiert werden. Raumladungen verringern die Effizienz und Leistung von Thermionikumwandlern, indem sie eine zusätzliche Barriere für die emittierten Elektronen schaffen. Um diese Barriere zu überwinden, sind höhere Temperaturen oder geringere Spannungen erforderlich, was die Wärmeverluste erhöht oder die Spannungsausgabe verringert.

• Verstärker: Verstärker sind Geräte, die die Amplitude eines Eingangssignals durch die Verwendung von Elektronenröhren oder Transistoren erhöhen. Raumladungen können die Leistung von Verstärkern verbessern, indem sie eine negative Spannung auf bestimmten Röhren erzeugen, was dem Einbringen einer negativen Vorrichtung entspricht. Diese Vorrichtung hilft, den Verstärkungsprozess zu steuern und Verzerrungen zu reduzieren.

• Schussrauschen: Schussrauschen ist eine Art von Rauschen, das durch die zufälligen Fluktuationen des elektrischen Stroms aufgrund diskreter Ladungen entsteht. Raumladungen können das Schussrauschen reduzieren, indem sie die Bewegung der Ladungen entlang ihres Pfades beeinflussen. Dies verringert die Anzahl der Ladungen, die zufällig an einem bestimmten Punkt eintreffen, und somit ihre statistische Variation, die das Schussrauschen darstellt.

Zusammenfassung

      Raumladung ist ein Phänomen, das auftritt, wenn elektrische Ladungen in einer Raumregion angesammelt werden, entweder im freien Raum oder in einem dielektrischen Material. Es kann verschiedene Ursachen haben, wie zum Beispiel thermionische Emission, Halbleiterübergänge, dielektrischer Durchschlag oder Wasserbäume. Es kann auch verschiedene Auswirkungen haben, wie zum Beispiel die Reduzierung der thermionischen Umwandlungseffizienz, die Verbesserung der Verstärkerleistung oder die Reduzierung des Schussrauschens.

Quelle: Electrical4u

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