Leiter (Physik)

Ein Leiter ist in der Physik ein Stoff, der verschiedene Arten von Energie oder Teilchen zwischen unterschiedlichen Orten transportieren kann. Es existieren Leiter für Strom, Wärme, Licht und Magnetismus. Ein nichtleitender Stoff wird Isolator genannt.

Inhaltsverzeichnis

Elektrischer Leiter

Ein elektrischer Leiter ist ein Medium, das frei bewegliche Ladungsträger besitzt und somit zum Transport geladener Teilchen benutzt werden kann. Diesen Transport nennt man elektrischen Strom. Der gleichbedeutende altertümliche Begriff Konduktor bezeichnet im engeren Sinne einen aus Metall gefertigten Ladungssammler in Form einer Dose oder Kugel an elektrostatischen Geräten.

Zu praktisch ausgeführten metallischen Verbindungsleitern siehe Elektrische Leitung.

Leiter 1. Klasse

Leiter 1. Klasse, Kupferkabel

Metalle und Graphit sind Leiter 1. Klasse. Die Leitfähigkeit von Metallen (z. B. gemessen als spezifische Leitfähigkeit) beruht nicht auf der Anzahl der Elektronen auf ihrer Außenschale (Valenzelektronen), sondern ist in erster Linie durch die Gitterstruktur vorgegeben. Metalle bilden eine Kristallgitterstruktur, in der die Elektronen nur schwach gebunden sind und als Elektronengas angesehen werden können, d. h. die Elektronen sind mehr oder weniger frei beweglich. Der beste elektrische Leiter ist Silber. Als günstigere Alternative wird aber das ebenfalls sehr gut leitende Kupfer verwendet. Will man etwa bei Freileitungen die Leitermasse gering halten, wird Aluminium verwendet.

Die Leitfähigkeit hängt auch von der Materialtemperatur ab. Bei Metallen steigt der spezifische Widerstand mit Temperaturerhöhung geringfügig (siehe bei Temperaturabhängigkeit). Bei Kohle und Halbleitern kann der Widerstand mit Temperaturzunahme auch sinken. Bei einigen (z. T. auch isolierenden) Materialien kann bei sehr niedrigen Temperaturen der spezifische Widerstand auf Null springen. Diesen Zustand nennt man Supraleitung.

Leiter 1. Klasse erfahren durch die Leitung keine stoffliche Veränderung.

Quantenmechanische Betrachtung

Wenn man Metalle quantenmechanisch (Blochwellenfunktion, Fermi-Dirac-Statistik) betrachtet, ergibt sich, dass die Elektronen nicht jede Energie annehmen können, sondern nur in bestimmten Energiebändern sein können - die Form dieser Bänder hängt vom Kristallgitter des Materials ab.

Die Fermienergie (die Energie des energiereichsten Elektrons bei der Temperatur 0 K) ermöglicht eine Unterscheidung:

  • Wenn die Fermienergie in einem erlaubten Band (Leitungsband) liegt, spricht man von einem Leiter.
  • Liegt die Fermienergie zwischen den erlaubten Bändern, ist es ein ...
    • ... Isolator, wenn der energetische Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband groß gegenüber der thermischen Energie ist.
    • ... sonst ist es ein Halbleiter.

Halbleiter sind eine Sonderform, im reinen Zustand können ihre Kristallgitter stabile Elektronenbindungen aufbauen. Die Elektronen können bei höherer Temperatur in ein Leitungsband aufsteigen, daher leiten Halbleiter im Gegensatz zu Metallen bei höheren Temperaturen besser.

Ein interessanter Effekt bei Halbleitern ist die Löcherleitung (auch Fehlstellenleitung, Positronenleitung). Das in das Leitungsband aufgestiegene Elektron hinterlässt ein Loch in der Bindung. Dieses Loch verhält sich ähnlich einem Elektron mit positiver Ladung und trägt auch zur Leitfähigkeit bei.

In Halbleiter können auch noch Fremdatome eingebracht werden. Man spricht dann von Dotierung. Die Fremdatome dienen entweder dazu, zusätzliche Elektronen einzubringen - man spricht dann von n-Dotierung (z. B. Stickstoff in Siliziumkristall), oder enthalten weniger Elektronen, um Löcher einzubringen, was p-Dotierung genannt wird (z. B. Bor in Siliziumkristall).

Modelle: Drude-Theorie, Sommerfeld-Theorie, Bloch-Theorie

Supraleitung

Supraleitung kann bei tiefen Temperaturen auftreten. Dabei springt der Widerstand des supraleitenden Materials unterhalb einer Grenztemperatur auf Null. Das kann quantenmechanisch erklärt werden. Diese Grenztemperatur ist von der Legierung abhängig. Während die ersten untersuchten Supraleiter Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes benötigten, sind heute auch so genannte Hochtemperatur-Supraleiter bekannt, bei denen dieser Effekt auch bei höheren Temperaturen auftritt. Es handelt sich dabei aber noch immer um sehr niedrige Temperaturen im volkstümlichen Sinne (unter −130 °C).

Anwendungen:

  • für hochempfindliche Sensoren für elektromagnetische Felder;
  • zum Vermindern der Widerstandsverluste in elektrischen Anlagen;
  • verlustfreier Transport von Elektrizität.

Leiter 2. Klasse

So genannte Ionenleiter sind Leiter 2. Klasse. Die Leitfähigkeit entsteht durch Dissoziation (Aufspaltung) der (ionischen) Kristallgitterstruktur unter Bildung von elektrisch geladenen, beweglichen Ionen im sogenannten Elektrolyt. Das kann durch Auflösen in einem polaren Lösungsmittel wie Wasser oder durch Schmelzen geschehen.

Klassisches Beispiel sind Salzlösungen. Lösliche Salze werden beim Lösungsvorgang in solvatisierte (als vom Lösungsmittel umgebende) positive und negative Ionen zerlegt. Diese bewirken die Leitfähigkeit. Die positiven Ionen wandern dabei in Richtung der negativen Kathode und werden daher Kationen genannt. Die negativen Anionen wandern zur positiven Anode. An den Elektroden werden die jeweiligen Ionen durch Elektronenübertritt entladen. Das kann zum Beispiel zur galvanischen Abscheidung von Metall, zum Freiwerden von Chlor (aus Natriumchlorid) oder zur Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden.

Bei der Ladungsleitung im Leiter 2. Klasse wird dieser durch chemische Reaktionen stofflich verändert.

Siehe auch Elektrochemische Spannungsreihe, Galvanotechnik.

Bei höheren Temperaturen (oberhalb ca. 600 °C) wird Glas (auch) als Ionenleiter elektrisch leitfähig. Dies wird z. B. in Schmelzöfen für Glas genutzt: Nach konventioneller Aufheizung wird dann die Glasschmelze durch eingetauchte Elektroden direkt, also durch den Stromfluss, beheizt.

Wärmeleiter

Die Wärmeleitung ist einer von drei Mechanismen, in denen thermische Energie transportiert werden kann. (Die beiden anderen Möglichkeiten sind Strahlung und Konvektion (Strömung).)

In Festkörpern erfolgt der Wärmetransport durch die Ausbreitung von Gitterschwingungen. Eine gute Ausbreitungsmöglichkeit für diese anregenden Schwingungen bieten Leitungselektronen, daher sind elektrische Leiter, insbesondere Metalle, auch gute Wärmeleiter (Wiedemann-Franzsches Gesetz). Die Behandlung dieses Phänomens erfolgt in der Regel zweckmäßigerweise im Modell eines freien oder quasifreien Elektronengases (also von Elektronen, die sich in guter Näherung annähernd frei im Festkörper bewegen können, vergleichbar der Beweglichkeit eines Gases (Drude-Theorie, Sommerfeld-Theorie). Da bei dieser Leitung die Elektronen bewegt werden, entsteht auch ein Stromfluss (Seebeck-Effekt).

In elektrischen Isolatoren wird die Wärme im Wesentlichen durch Gitterschwingungen (Phononen) übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit hängt daher von der Schallgeschwindigkeit ab.

In Halbleitern treten beide Effekte auf.

Gute Wärmeleiter sind: Metalle.
Schlechte Wärmeleiter sind: Holz, Kunststoffe, Salze.

Entgegen allgemeiner Annahme ist Wasser ein schlechter Wärmeleiter. Wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport liefert hier, im Gegensatz zu Festkörpern, die Konvektion.

Weitere Modelle: Einstein-Modell des Festkörpers

Elektromagnetischer Wellenleiter

Hochfrequenz- und Mikrowellenleiter

Ein bekannter Wellenleiter für hochfrequente elektromagnetische Wellen ist das Koaxialkabel.

Der Wellenleiter für Mikrowellen nützt aus, dass die Wellen Ströme induzieren. Sie sind im Wesentlichen ein metallisches Rohr (rund oder auch rechteckig), dessen Durchmesser etwas größer ist als die halbe Wellenlänge der zu transportierenden Welle.

Hohlleiter

Hauptartikel: Hohlleiter

Ein Hohlleiter ist ein Wellenleiter für elektromagnetische Wellen vorwiegend im Zentimeter-Wellenbereich (3 bis 30 GHz). Hohlleiter sind runde oder rechteckige Metallrohre, in denen sich derart hohe Frequenzen im Gegensatz zu Kabeln sehr verlustarm übertragen lassen.

Licht

Optische Wellenleiter gibt es in zwei Bauformen:

  • eindimensional: Ein Beispiel sind als Lichtwellenleiter dienende Glasfasern. Bei konventionellen Glasfasern erfolgt die Lichtleitung mit Hilfe der Totalreflexion. Bei einigen modernen Varianten wird das Licht mit Hilfe von photonischen Kristallen geführt.
  • zweidimensional: Ein Beispiel sind planare Wellenleiter. Sie werden z. B. in Halbleiterlasern eingesetzt.

Magnetischer Leiter

Permeabilitätszahlen für ausgewählte Materialien
Medium µr Einteilung
Supraleiter 0 ideal diamagnetisch
Blei, Zinn, Kupfer < 1 diamagnetisch
Vakuum 1 (neutral per Definition)
Luft, Aluminium, Platin > 1 paramagnetisch
Kobalt 80…200 ferromagnetisch
Eisen 300…10.000 ferromagnetisch
Ferrite 4…15.000 ferromagnetisch
Mumetall (NiFe) 50.000…140.000 ferromagnetisch
amorphe Metalle 700…500.000 ferromagnetisch

Die magnetische Leitfähigkeit, auch magnetische Permeabilität (μ) genannt, ist ein Maß für die Durchlässigkeit von magnetischen Feldern. Sie ist eng verwandt mit der magnetischen Suszeptibilität. Permeabilität ist das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B zur magnetischen Feldstärke H.

 \mu = \frac {\left| \vec{H} \right|} {\left| \vec{B} \right|} und hat die abgeleitete SI-Dimension \frac{V s}{A m}

Die magnetische Feldkonstante μ0 ist eine physikalische Konstante (1,2566·10-6·Vs/Am) für die magnetische Leitfähigkeit des Vakuums. Die Permeabilitätszahl μr, früher auch als relative Permeabilität bezeichnet, ist das Verhältnis von μ zur magnetischen Feldkonstante μ0.

\mu_r = \frac{\mu}{\mu_0}

Für das Vakuum ergibt sich folglich eine Permeabilitätszahl von 1. Die dimensionslose Größe μr hängt mit der magnetischen Suszeptibilität χ über die Formel μr = 1 + χ zusammen.

Die völlige Undurchlässigkeit von Supraleitern für Magnetfelder heißt Meißner-Ochsenfeld-Effekt.

Siehe auch

Literatur

  • Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Aufl. Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000. ISBN 3-8171-1628-4
  • Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Aufl. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998. ISBN 3-14-221730-4
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Aufl. Europa - Lehrmittel, Wuppertal 1989. ISBN 3-8085-3018-9

Weblinks

 Commons: Electrical conductors – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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