Jedes Material besteht aus unterschiedlichen Atomen. Abhängig von der Zusammensetzung dieser Atome haben die Materialien verschiedene Eigenschaften. Eine Eigenschaft beschreibt die elektrische Leitfähigkeit. Materialien, die Strom leiten können, werden als elektrische Leiter eingesetzt.
Elektrische Leiter Physik
Elektrische Leiter sind vom Alltag der Menschen nicht mehr wegzudenken. Du findest Sie in jedem elektronischen Gerät. Dazu gehören etwa Handys, Fernseher oder Lampen. Ebenfalls sind elektrische Leiter nicht alle gleich. Je nachdem, welches Material verwendet wird, variiert auch der Einsatzbereich. Hierbei unterscheidest Du zwischen Leitern, Halbleitern und Nichtleitern – oder Isolatoren.
Was genau macht ein Material nun zu einem Leiter?
Definition Leiter Physik
Ob ein Material Strom leiten kann, hängt davon ab, ob sie frei bewegliche Ladungsträger besitzen.
Elektrische Leiter bestehen aus Materialien mit frei beweglichen Ladungsträgern. Diese Ladungsträger können – als Strom – in eine zielgerichtete Richtung geleitet werden.
Ladungsträger sind geladene Teilchen. Sie können entweder negativ oder positiv geladen sein. Negativ geladene Ladungsträger sind Elektronen oder die sogenannten Anionen. Anionen sind negativ geladene Atome – oder Ionen. Positiv geladene Ladungsträger sind Protonen oder sogenannte Kationen. Kationen sind positiv geladene Atome. Gleich geladene Teilchen stoßen einander ab. Entgegen geladene Teilchen ziehen einander an.
Damit ein Atom zu einem Ion wird, gibt es entweder ein Elektron ab, oder es nimmt ein Elektron auf.
Leiter haben aber noch weitere Eigenschaften, die einen Stromfluss beeinflussen.
Leiter Physik Eigenschaften
Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials wird über den temperaturabhängigen spezifischen Widerstand beschrieben.
Der spezifische Widerstand \(\rho\) ist für jedes Material charakteristisch und temperaturabhängig. Der Wert des spezifischen Widerstands gibt Auskunft darüber, ob ein Material ein Leiter, Halbleiter oder Isolator ist.
Je kleiner der spezifische Widerstand ist, desto besser leitet ein Material Strom. Im Grunde heißt das, je kleiner der spezifische Widerstand ist, desto besser können sich Ladungsträger in diesem Material bewegen. Mit steigender Temperatur steigt der spezifische Widerstand eines Materials. Das liegt daran, dass sich neben den Ladungsträgern nun auch die Atomkerne des Materials mehr bewegen und den Ladungsträgern Platz wegnehmen.
Du unterscheidest zwischen dem Widerstand und dem spezifischen Widerstand. Während der spezifische Widerstand eine Materialkonstante ist, wird der Widerstand separat für jeden Leiter berechnet, etwa für ein Kabel.
Mit dem spezifischen Widerstand \(\rho\), der Länge \(l\) und der Oberfläche des Querschnitts \(A\) eines Leiters kann der Widerstand dessen berechnet werden. Der Querschnitt muss hierbei über die gesamte Länge konstant sein. Der Widerstand \(R\) wird in Ohm \(\Omega\) angegeben:
\[[R]=1\,\Omega\]
Du berechnest den Widerstand mit folgender Formel:
\[R=\rho \cdot\frac{l}{A}\]
Die Erklärung „Widerstand und Ohmsches Gesetz“ beinhaltet noch mehr Informationen dazu.
Elektrische Leiter besitzen also frei bewegliche Ladungsträger. Wie kommt damit jetzt ein Strom zustande?
Leiter Physik Typen
Die Art der Ladungsträger bestimmt die Klasse der elektrischen Leiter. Du unterscheidest zwischen Leitern erster und zweiter Klasse. Bei Leitern erster Klasse sind die Elektronen die Ladungsträger. Bei Leitern zweiter Klasse leiten Ionen den Strom.
Protonen sind fest im Atomkern verbaut und können nur mit extrem viel Energie von dort rausgelöst werden. Deswegen werden sie im Alltag der Menschen nicht als Ladungsträger verwendet.
Auch wenn sich Ladungsträger bewegen können, fließen sie nicht alle gleichzeitig in eine Richtung. Sie benötigen einen Grund dazu. Dieser Grund ist die Spannung. Eine Spannung ist ein erzeugter Ladungsunterschied – oder Potentialunterschied – an zwei Polen innerhalb eines Stromkreises. Diese Pole sind der Minus- und Pluspol.
Am Minuspol befinden sich vermehrt Elektronen und er ist somit negativ geladen. Das bezeichnest Du auch als Elektronenüberschuss. Am Pluspol befinden sich wenige Elektronen und ist somit vermehrt positiv geladen. Das nennst Du Elektronenmangel.
Strom fließt nur, wenn ein abgeschlossener Stromkreis gebildet wurde. Mehr Informationen dazu erhältst Du der Erklärung für „Elektrische Stromkreise“. Wie eine Spannung erzeugt wird, erfährst Du weiterhin in der Erklärung „Das elektrische Feld“.
Dadurch, dass sich entgegengesetzte Ladungen gegenseitig anziehen, bewegen sich negativ geladene Ladungsträger zu dem vermehrt positiv geladenen Pluspol. Somit herrscht innerhalb eines Leiters eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, das nennst Du Strom.
Wie sehen unterschiedliche Leiter nun aus?
Leiter Physik Aufbau
Die wohl klassischsten elektrischen Leiter sind Metalle. Sie sind Leiter erster Klasse.
Leiter erster Klasse
Alle Metalle leiten aufgrund ihres Aufbaus unterschiedlich gut Strom.
Metalle bilden eine Kristallgitterstruktur. Die Außenelektronen der Metallatome sind hierbei nur schwach gebunden und bilden eine frei bewegliche, sogenannte Elektronenwolke. Je mehr Außenelektronen ein Metall besitzt, desto leitfähiger ist es.
Wie kannst Du Dir das vorstellen?
In Abbildung 1 siehst Du schematisch die Kristallgitterstruktur von Metallen. Die Metallatome nennst Du auch Atomrümpfe. Sie sind nach dem Dalton Atommodell als einfache Kugeln in Rot dargestellt. Die blauen Kugeln sind die freien Elektronen.
Abb. 1 - Schematische Darstellung der Kristallstruktur eines Metalls mit freien Elektronen.
Wenn Du jetzt eine Spannung anlegen würdest, würden sich die Elektronen in Richtung des Pluspols bewegen. In Abbildung 2 siehst Du eine schematische Skizze dazu.
Abb. 2 - Elektronenfluss durch ein Metall als Leiter.
Beachte, dass der Minuspol einen Elektronenüberschuss hat und somit immer weiter Elektronen durch den Leiter befördert werden. Am Pluspol werden Elektronen weitergeleitet. Zum Beispiel wird dort eine Lampe zum Leuchten gebracht, oder ein Handy aufgeladen.
Doch nicht nur Feststoffe können Strom leiten.
Leiter zweiter Klasse
Sogenannte Elektrolyte leiten in gelöster Form Strom. Sie sind Leiter zweiter Klasse. Tatsächlich kommst Du täglich mit einem Leiter zweiter Klasse in Berührung. Mineralien sind in Form von Ionen in Leitungswasser gelöst. Dementsprechend bist auch Du ein Leiter zweiter Klasse.
Du kannst eine Flüssigkeit leitfähig machen, indem Du etwa ein Salz darin löst. Leitungswasser selbst kann zwar Strom leiten, jedoch nicht allzu viel auf einmal. Durch die Hinzugabe von etwa Kochsalz wird es leitfähiger. Salze sind nämlich über eine sogenannte Ionenbindung miteinander verbunden. Das heißt, dass die Bestandteile des Salzes bereits Ionen sind.
Salze bestehen aus einem Kation und einem Anion. Wenn ein Salz in Lösung geht, trennt sich die Ionenbindung zwischen den Ionen auf. Sie befinden sich dann separat als geladene Ionen im Lösungsmittel – etwa in Wasser. Das bezeichnest Du als ein Elektrolyt.
In Abbildung 3 siehst Du schematisch, wie das aussieht.
Abb. 3 - Wasser mit gelöstem Salz.
Damit nun ein Strom fließt, muss der Elektrolyt an einen Stromkreis angeschlossen werden. Das machst Du über sogenannte Elektroden. Diese bestehen aus leitfähigen Materialien wie Metallen. Du wählst das Material der Elektroden abhängig vom Elektrolyt aus. Du benötigst immer zwei Elektroden.
Eine Elektrode bildet den Pluspol und heißt Anode. An der Anode besteht ein Elektronenmangel. Anionen bewegen sich somit zur Anode und geben überschüssige Elektronen ab. Die zweite Elektrode bildet den Minuspol. Diesen nennst Du Kathode. Hier herrscht ein Elektronenüberschuss. Somit bewegen sich die Kationen zur Kathode hin. Kationen nehmen dort Elektronen auf.
In Abbildung 4 siehst Du eine schematische Darstellung dazu. Die Anionen wandern zum Pluspol und geben ein Elektron ab. Am Minuspol sammeln sich die Kationen und nehmen ein Elektron auf.
Abb. 4 - Stromfluss im Elektrolyten.
Solch ein Leiter zweiter Klasse verbraucht sich gewissermaßen. Der Strom wird nämlich nur so lange fließen können, bis das Elektrolyt aufgebraucht ist. Leiter zweiter Klasse können ebenfalls im geschmolzenen Zustand Strom leiten.
Stoffe, die zunächst keinen Strom leiten können, werden vom Menschen dahin gehend modifiziert. Diese Leiter nennst Du Halbleiter.
Halbleiter Physik Aufbau
Halbleiter sind Feststoffe. Ähnlich wie bei den Metallen bilden sie Kristallgitterstrukturen. Sie sind Leiter erster Klasse.
Halbleiter sind hauptsächlich Feststoffe der vierten Hauptgruppe der Elemente. Sie bilden Kristallgitterstrukturen mit stabilen Elektronenbindungen aus. Somit sind nur vernachlässigbar wenige frei bewegliche Elektronen vorhanden. Folglich besitzen Halbleiter Eigenschaften von Leitern sowie auch Isolatoren.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist zunächst nur wenig oder gar nicht vorhanden. Im Gegensatz zu Metallen nimmt die Leitfähigkeit bei Energiezufuhr, also etwa Erwärmen, zu. Wenn Halbleiter abgekühlt werden, funktionieren sie immer mehr wie ein Isolator. Diese Eigenschaften von Halbleitern sind essenziell für die moderne Feinelektronik – etwa bei Handy und Computer.
Ein klassischer Halbleiter ist das Silicium. In Abbildung 5 siehst Du ein Siliciumatom im Kristallgitter. Ein Siliciumatom geht vier weitere Bindungen mit anderen Siliciumatomen ein. Dabei werden immer Elektronenpaarbindungen ausgebaut.
Abb. 5 - Kristallgitterstruktur von Silicium.
Wie Du sehen kannst, sind dort keine freien Elektronen vorhanden. Wenn das Silicium nun aber erhitzt wird, so können sich einzelne Elektronen aus den Elektronenbindungen herauslösen. Die Elektronen hinterlassen ein Siliciumatom, welches positiv geladen ist. Die Stelle, an der das Elektron gesessen hat, bezeichnest Du als Loch – oder Defektelektron.
Das Elektron bewegt sich in einem Stromkreis, wie üblich, in Richtung Pluspol. Charakteristisch für Halbleiter passiert jetzt aber noch etwas.
Weitere Elektronen lösen sich aufgrund der Defektelektronen aus Ihren Elektronenbindungen. Daraufhin besetzen sie das nächste Defektelektron. Hinterlassen haben sie ein neues Defektelektron. Mit weiteren Abfolgen dieses Prozesses wandern die Löcher gewissermaßen in Richtung Minuspol. Das nennst Du auch Löcher- oder Defektelektronenleitung.
In Abbildung 6 siehst Du schematisch, wie freie Elektronen aus ihren Elektronenbindungen treten und sich in Richtung Pluspol bewegen. Die Defektelektronen werden von anderen Elektronen besetzt, die selbst Defektelektronen hinterlassen.
Abb. 6 - Elektronenleitung und Defektelektronenleitung eines Siliciumhalbleiters.
Halbleiter können sozusagen programmiert werden. Mit der sogenannten Dotierung werden dem Kristallgitter Fremdatome hinzugefügt. Diese können entweder mehr oder weniger Elektronen als das Ursprungsmaterial des Halbleiters besitzen. Dadurch wird die Elektronenleitung oder die Defektelektronenleitung begünstigt.
Mehr Informationen dazu findest Du in der Erklärung zur Dotierung.
Bei Isolatoren ist das noch mal etwas schwerer.
Nichtleiter Physik Aufbau
Nichtleiter nennst Du auch Isolatoren. Sie werden gebraucht, um etwa Menschen vor hohen Spannungen zu schützen.
Nichtleiter – oder Isolatoren – besitzen keine freien Elektronen. Sie leiten somit keinen Strom.
Mehr Informationen hierzu findest Du in der Erklärung zu Isolatoren.
Gute Isolatoren sind etwa Gummi, Luft oder Porzellan.
Gummi als Isolator kannst Du überall finden, wo elektrischer Strom fließen soll. Jedes Kabel ist mit einem isolierenden Gummimantel überzogen. Der Grund für eine Isolierung ist, dass sonst schnell Kurzschlüsse entstehen können, die Brände auslösen. Wenn Menschen in Kontakt mit unisolierten Leitungen in Kontakt kommen, kann dies zusätzlich tödlich enden.
Abb. 7 - Ein mit Gummi isoliertes Kupferkabel.
Was ein Material zu einem Leiter, Halbleiter oder Nichtleiter macht, wird auch in der Quantenmechanik erklärt. Hierfür wurde das sogenannte Energiebändermodell erstellt. Wenn Du also weitere Informationen dazu haben möchtest, dann schaue doch in der gleichnamigen Erklärung vorbei.
Welche Materialien werden noch verwendet?
Leiter Physik Beispiele
Die folgende Tabelle beinhaltet unterschiedliche Beispiele für Materialien, die als Leiter, Halbleiter oder Nichtleiter verwendet werden.
| Leiter | Halbleiter | Nichtleiter |
| Silber | Silicium | Kunststoffe wie Gummi |
| Kupfer | Germanium | Keramik |
| Aluminium | Galliumarsenid | Glas |
Tabelle 1: Unterschiedliche Materialien für Leiter, Halbleiter und Nichtleiter.
Bei den Leitern ist Silber der beste Leiter. Günstigere gute Alternativen bieten aber Kupfer sowie auch Aluminium. Bei den Halbleitern wird wie bereits erwähnt die vierte Hauptgruppe der Elemente verwendet. Das beliebteste Element ist hierbei das Silicium. Aber auch Verbindungen wie das Galliumarsenid kommen infrage. Der wohl bekannteste Nichtleiter ist ein Kunststoff – Gummi. Aber auch Keramik und Glas finden als Nichtleiter Verwendung.
Ohne elektrische Leiter würde die Welt der Menschen ganz anders aussehen: keine Telefone, kein Internet, kein Fernsehen. Elektrischer Strom ist jedoch nicht das einzige, was über Leiter transportiert werden kann. Die Wärmeleitung sowie die Leitung von optischen Signalen – also Licht – ist ebenfalls wichtig.
Tatsächlich wird die Lichtleitung immer signifikanter, weil somit Signale auch bei Normalbedingungen mit Lichtgeschwindigkeit transportiert werden können. Weiterhin können sich nebeneinander verlegte Stromleitungen gegenseitig beeinflussen. Mehr dazu erfährst Du bei der Erklärung „Das elektrische Feld“. Bei optischen Leitern ist dies nicht der Fall.
Leiter Physik – Das Wichtigste
- Du unterscheidest zwischen Leitern, Halbleitern und Nichtleitern.
- Leiter besitzen frei bewegliche Ladungsträger. Je mehr Ladungsträger vorhanden sind, desto besser kann das Material Strom leiten.
- Ladungsträger sind geladene Teilchen.
- Elektronen und Anionen sind negativ geladen.
- Protonen und Kationen sind positiv geladen.
- Die elektrische Leitfähigkeit von Leitern wird durch den spezifischen Widerstand als Materialkonstante wiedergegeben.
- Je kleiner der spezifische Widerstand ist, desto besser ist die Leitfähigkeit eines Leiters.
- Der spezifische Widerstand ist temperaturabhängig und nimmt mit Energiezufuhr zu.
- Leiter aus Metall leiten Strom über Elektronen.
- Elektrolyte leiten Strom über Ionen.
- Halbleiter haben Eigenschaften von Leitern und Isolatoren.
- Halbleiter haben wenig freie Elektronen.
- Bei Energiezufuhr nimmt die Leitfähigkeit zu.
- Halbleiter leiten Strom gleichzeitig über eine Elektronen- und Defektelektronenleitung.
- Isolatoren leiten keinen Strom. Sie haben keine freien Elektronen.
Nachweise
- Chemie.de: Leiter Physik (06.09.2022)
- Chemie.de: Spezifischer Widerstand (06.09.2022)
- Spektrum.de: Leiter (06.09.2022)
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