Kontaktelektrizität

Als Kontaktelektrizität, Berührungselektrizität 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.

Kontaktelektrizität zwischen zwei Leitern

Sind zwei Leiter im thermodynamischen Gleichgewicht, so sind die Fermi-Level in beiden gleich. Da zwei stofflich verschiedene Leiter jedoch andere Austrittsarbeiten haben, sind Elektronen vom Leiter niedrigerer Austrittsarbeit zum Leiter höherer Austrittsarbeit geflossen. Daher besteht im Gleichgewicht zwischen den Leitern eine Kontaktspannung ϕ, welche die Differenz der Austrittsarbeiten geteilt durch die Elementarladung ist.

Nimmt ein Metall aus dem Vakuum ein (ruhendes) Elektron auf, so landet es in ihm auf dem Fermi-Niveau. Die frei werdende Bindungsenergie heißt Austrittsarbeit. Kommen nun zwei Leiter mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten, die zunächst jeweils ungeladen sind (Anzahl Elektronen passend zu den Kernladungen), in elektrischen Kontakt zueinander, so fließen kurzzeitig Elektronen in Richtung des Leiters mit der höheren Austrittsarbeit (zum tieferen Fermi-Niveau), bis im thermodynamischen Gleichgewicht die Fermi-Niveaus angeglichen sind.

Kontaktelektrizität zwischen Isolatoren

Die Ladungsmengen, die sich mittels Isolatoren trennen lassen, siehe Reibungselektrizität, sind weitaus größer und damit auch die Spannungen. Zwischen Isolatoren gibt es jedoch keinen wohldefinierten Ladungsausgleich bei Kontakt 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 bzw. negativ auflädt.

Kontaktelektrizität bei Halbleitern

Werden unterschiedlich dotierte Halbleitern in Kontakt gebracht bildet sich ein P-n-Übergang. Bei Kontakt eines Halbleiters mit einem Metall bildet sich ein Metall-Halbleiter-Kontakt.

Literatur

Wilhelm von Zahn: Untersuchungen über Kontaktelektrizität. Teubner, Leipzig 1882.

Weblinks

Nahum Kipnis: Changing a Theory: The Case of Volta’s Contact Electricity (PDF; 89 kB). (Wissenschaftshistorischer Artikel über die Entwicklung des Begriffs der Kontaktelektrizität; englisch), abgerufen am 5. Februar 2010.