Elektrizität und Sensoren

Alle Materialien bestehen aus winzigen Teilchen, den Atomen. Atome bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen im Atom haben eine positive Ladung und die Elektronen eine negative Ladung. Diese Ladungen gleichen sich aus, so dass das Atom insgesamt eine neutrale Ladung hat.

Elektrische Ströme

Elektrizität kann sich als ein Fluss von Elektronen oder Ladungen manifestieren. Der Fluss von Elektronen oder Ladungen wird als elektrischer Strom bezeichnet.

Ein elektrischer Stromkreis hat entlang seines gesamten Verlaufs locker gehaltene Elektronen. Wenn dem Stromkreis elektrische Energie zugeführt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das die Elektronen im Stromkreis dazu bringt, auf einmal zu fließen, wie Wasser in einem Rohr oder Schlauch.

Elektrische Schaltkreise

Künstliche Sensoren basieren auf elektrischen Schaltkreisen. Elektrische Schaltkreise bestehen aus bestimmten elektrischen Bauteilen, einer Stromquelle und Verbindungsdrähten und können einen elektrischen Strom schalten oder verändern. Der Fluss elektrischer Ladungen in einem Stromkreis wird durch die elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Materials, die Komponenten und den Aufbau des Stromkreises gesteuert. Ein Schaltkreis kann so gestaltet werden, dass unterschiedliche Mengen elektrischer Ladungen in verschiedenen Teilen des Schaltkreises fließen können, so dass Teile des Schaltkreises unterschiedliche, aber zusammenwirkende Aufgaben haben können.

Elektronik ist die Verwendung kleiner Komponenten wie Halbleiterbauelemente in elektrischen Schaltkreisen, um den Fluss elektrischer Ladungen zu steuern oder eine Funktion auszuführen. Dies geschieht durch Erhöhen oder Verringern des Stroms oder durch vollständiges Unterbrechen des Flusses. In den meisten elektrischen Geräten kommt Elektronik zum Einsatz – vom einfachen Schalter, der das Licht einschaltet, wenn es dunkel wird, bis hin zu komplexen Schaltkreisen, die viele Aufgaben zu erfüllen haben, wie z. B. in Waschmaschinen oder Robotern.

Leitfähigkeit

Wenn elektrische Ladungen durch etwas fließen, nennt man das elektrische Leitung. Der Stoff, durch den die elektrischen Ladungen fließen, wird Leiter genannt.

Die verschiedenen Materialien haben unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten. Sie ist ein Maß dafür, wie leicht elektrischer Strom durch das Material fließen kann. Das Gegenteil von Leitfähigkeit ist der spezifische Widerstand – wie schwer es für eine elektrische Ladung ist, sich durch ein Material zu bewegen.

Einige Materialien, wie Metalle, haben in ihrer atomaren Struktur locker gebundene Elektronen, die es elektrischen Ladungen ermöglichen, leicht zu fließen, und sind daher sehr nützlich als Drähte, die die verschiedenen Komponenten in einem Stromkreis verbinden. Kupfermetall ist ein Beispiel für einen guten Leiter und wird oft als Verbindungsdraht verwendet.

Stoffe, die den Fluss elektrischer Ladungen nicht zulassen, nennt man Isolatoren. Gummi, Kunststoff und Luft sind zum Beispiel schlechte Leiter und eignen sich daher als Isolatoren, um den Fluss elektrischer Ladungen zu blockieren.

Andere Materialien mit leitenden Eigenschaften, die zwischen guten Leitern und Isolatoren liegen, wie zum Beispiel Silizium, werden als Halbleiter bezeichnet. Ihre elektrische Leitfähigkeit kann durch die Art der Atome, die zur Dotierung mit Verunreinigungen verwendet werden, verändert werden. Halbleiterbauteile wie Dioden und Transistoren können ihre Fähigkeit, Ladungen zu leiten, in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen wie der Spannung ändern. Dies macht Halbleiter zu nützlichen Sensoren und Schaltern, die auf veränderte physikalische Bedingungen reagieren.

Ein Wärmesensor, ein so genannter Thermistor, ändert beispielsweise seine Fähigkeit, den Fluss elektrischer Ladungen durch ihn hindurch zu ermöglichen, in Abhängigkeit von der Temperatur. Durch den Einbau eines Thermistors in einen Stromkreis kann der Strom in einem anderen Teil des Stromkreises ein- oder ausgeschaltet werden, z. B. um eine Heizung abzuschalten, wenn die Luft zu heiß wird. So wie die Sensoren in der menschlichen Haut Impulse an das Gehirn senden, wo die Informationen ausgewertet werden und wir uns warm oder kalt fühlen, wird in Maschinen Elektronik verwendet, um die physikalischen Bedingungen zu analysieren, die durch Änderungen des elektrischen Stroms erfasst werden.

Wie funktionieren Sensoren?

Sensoren reagieren auf sich ändernde physikalische Bedingungen, indem sie ihre elektrischen Eigenschaften ändern. Daher stützen sich die meisten künstlichen Sensoren auf elektronische Systeme, um Informationen über die Umwelt zu erfassen, zu analysieren und weiterzuleiten. Diese elektronischen Systeme funktionieren nach denselben Prinzipien wie elektrische Schaltkreise, so dass die Fähigkeit, den Fluss elektrischer Energie zu steuern, sehr wichtig ist.

Ein Sensor wandelt, vereinfacht gesagt, Reize wie Wärme, Licht, Schall und Bewegung in elektrische Signale um. Diese Signale werden durch eine Schnittstelle geleitet, die sie in einen binären Code umwandelt und diesen zur Verarbeitung an einen Computer weiterleitet.

Viele Sensoren fungieren als Schalter, der den Fluss elektrischer Ladungen durch den Stromkreis steuert. Schalter sind ein wichtiger Teil der Elektronik, da sie den Zustand des Schaltkreises verändern. Komponenten von Sensoren wie integrierte Schaltkreise (Chips), Transistoren und Dioden enthalten alle Halbleitermaterial und sind in die Sensorschaltungen integriert, so dass sie als Schalter fungieren. Ein Transistor funktioniert beispielsweise, indem er einen kleinen elektrischen Strom in einem Teil des Schaltkreises verwendet, um einen großen elektrischen Strom in einem anderen Teil des Schaltkreises einzuschalten.

Aktive und passive Sensoren

Die meisten Sensoren verwenden Strahlung wie Licht oder Laser, Infrarot-Funkwellen oder andere Wellen wie Ultraschallwellen, um Objekte und Veränderungen in ihrer Umgebung zu erkennen. Dazu verfügen sie über eine Energiequelle in ihrem Inneren, die es ihnen ermöglicht, die Strahlung in Richtung ihres Zielobjekts auszusenden. Diese Strahlung wird vom Objekt zurückgeworfen und vom Sensor erfasst – dies wird als aktiver Sensor bezeichnet, z. B. bei der Verwendung von Radar.

Passive Sensoren senden keine eigene Strahlung oder Wellen aus – sie erfassen Strahlung, die von ihren Zielobjekten ausgesendet wird, wie Wärme oder thermische Infrarotstrahlung, oder sie erfassen Strahlung von einer externen Quelle wie der Sonne, die von den Objekten reflektiert wird. Ein Beispiel ist ein Thermistor zur elektronischen Messung der Temperatur.

Der Vorteil von Sensoren besteht darin, dass sie nicht aufdringlich sind und auf Distanz messen können. Sowohl aktive als auch passive Sensoren können auf Satelliten montiert werden, die die Erde umkreisen, um Informationen über unsere Umwelt zu erfassen. Die von den Sensoren erfassten Strahlungen, Wellen oder anderen physikalischen Phänomene werden in elektrische Signale umgewandelt und von Computern verarbeitet.

MARVIN der Roboter ist mit aktiven Sensoren wie Infrarotsensoren, Ultraschallsensoren und Lasersensoren ausgestattet. Der Zählsensor, der die Entfernung bestimmt, die MARVIN zurücklegt, ist ein passiver Sensor.