Elektronenströme

Elektronenströme bezeichnen die gerichtete Bewegung von Elektronen als Ladungsträger in Leitern, Halbleitern und Vakuum. In Metallen bilden frei bewegliche Elektronen ein Elektronengas, das unter Einwirkung eines elektrischen Feldes driftet. In Halbleitern können neben Elektronen auch Löcher als Träger auftreten, deren Mobilität variiert und die durch Dotierung beeinflusst wird.

Im alltäglichen Sprachgebrauch wird vom elektrischen Strom gesprochen; die Richtung des konventionellen Stroms entspricht der Richtung des Flusses positiver Ladung. Elektronen bewegen sich daher typischerweise in die entgegengesetzte Richtung.

Die Driftgeschwindigkeit v_d ist der mittlere Betrag der Geschwindigkeit, mit dem sich Träger unter dem Einfluss eines Feldes bewegen. In metallischen Leitern ist sie extrem klein (mm/s-Bereich) bei üblichen Strömen, bedingt durch die hohe Ladungsträgerdichte. Die Stromstärke I ergibt sich aus I = n e A v_d, wobei n die Trägerdichte, e die Elementarladung und A der Leiterquerschnitt ist. Da Elektronen negativ geladen sind, entspricht die Richtung von v_d der Bewegung entgegen der Richtung des konventionellen Stroms.

Die Leitfähigkeit eines Materials hängt von der Beweglichkeit und Dichte der Träger ab und wird oft durch das Ohmsche Gesetz beschrieben (J = σE). Temperatur, Dotierung und Kristallstruktur beeinflussen die Trägereigenschaften: In Metallen erhöht sich der Widerstand mit der Temperatur, während in vielen Halbleitern die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zunimmt.

Elektronenströme finden sich in vielen Anwendungen: Energieübertragung, elektronische Schaltungen, Vakuum- oder Teilchenstrahlen, Elektronenmikroskopie und Tomographie.

Historisch war die Erkenntnis, dass Elektronen die Ladungsträger sind, entscheidend für das Verständnis des Stromflusses; der Begriff des Elektronenflusses ergänzt den konventionellen Stromfluss und sorgt für eine konsistente Behandlung in Gleichungen.