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Leiter Physik

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Leiter Physik

Wenn von Leitern in der Physik die Rede ist, dann sind damit Stoffe gemeint in denen sich Ladungen in einem elektrischen Feld leicht bewegen können. Bei Isolatoren trifft das jedoch nicht zu. Doch woran liegt das und wie genau funktionieren Leiter? Das werden wir dir heute in diesem Artikel erklären. Viel Spaß beim Lesen!

Leiterarten

Leiter werden grundsätzlich in drei Kategorien eingeteilt:

  • Leiter
  • Halbleiter
  • Isolatoren

Schauen wir uns zunächst einmal die Leiter an. Teilchen können verschiedene Ladungen aufweisen. Nämlich entweder:

  • Positiv geladen -> Proton

Abb. 1: Proton

(Quelle: www.leifiphysik.de)

  • Negativ geladen -> Elektron

Abb. 2: Elektron

(Quelle: www.leifiphysik.de)

Neutrale Atome hingegen sind ausgeglichen, weisen also die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen auf. Ob Elektrizität nun in einen Stoff fließen kann, hängt von der Anzahl der frei beweglichen Ladungen innerhalb eines Körpers ab.

Ladungen

Des Weiteren wird zwischen einem Elektronenüberschuss und einem Elektronenmangel unterschieden. Im Prinzip ist dies nichts anderes als ein Fachbegriff für eine positive oder eine negative Ladung. Doch wann liegt was vor?

  • Werden dem Leiter Elektronen entzogen, ensteht ein Elektronenmangel -> Positiv geladen
  • Werden dem Leiter Elektronen hinzugefügt, ensteht ein Elektronenüberschuss -> Negativ geladen

Abb. 3: Positives und negatives Ion

(Quelle: www.leifiphysik.de)

Auch in neutralen Atomen können sich die Elektronen und Protonen bewegen. Jedoch nur dann, wenn ein geladener Körper, egal ob positiv oder negativ geladen, an den Leiter herangeführt wird. Denn gleiche Ladungen stoßen sich ab wohingegen ungleiche Ladungen sich anziehen. Es findet dementsprechend eine neue Anordnung der Ladungen in dem Leiter statt.

Was ist ein Leiter?

Was kannst du dir unter einem Leiter vorstellen? Zu den bekanntesten gehören:

  • Metalle
  • Graphit
  • Säuren
  • Laugen
  • Salzlösungen

Diese Stoffe können Strom aufnehmen, also durch sich hindurch fließen lassen.

Leitfähigkeit

Wie bereits erwähnt, hängt die Leitfähigkeit eines Stoffes nicht nur davon ab, dass überhaupt Ladungen in dem Körper existieren, sondern auch von der Beweglichkeit der Ladungen. Diese kann sich nämlich verändern, wenn der Körper verschiedenen Temperaturen ausgesetzt wird. Atome können sich abhängig von der Temperatur unterschiedlich gut bewegen. Allgemein gilt:

  • Je höher die Temperatur, desto mehr bewegen sich die Atome, da der Stoff nicht mehr fest ist
  • Je niedriger die Temperatur, desto weniger können sich Atome bewegen, da der Stoff immer fester wird
    • Das trifft z.B. bei einem Messer zu. Im kalten Zustand, ist es kaum verformbar = die Atome bewegen sich wenig bis kaum. Wird das Messer erhitzt, kann es beliebig geformt werden = die Atome bewegen sich stark

Abb. 4: Leitfähigkeit fest, flüssig und gasförmig

(Quelle: www.frustfrei-lernen.de)

Beispiel Metall

Bleiben wir bei dem Beispiel von Metallen. Wird Metall höheren Temperaturen ausgesetzt, beginnen die Atome in dem Metall sich also mehr zu bewegen. Das nennt man auch Schwingungen. Das führt jedoch dazu, dass sich Ladungen nicht mehr so frei bewegen können wie zuvor, da der Platz nun von den Atomen genutzt wird. Dieser Effekt wird auch elektrischer Widerstand genannt. Rein theoretisch kann dieser Widerstand auch berechnet werden.

Halbleiter

Halbleiter weisen im Gegensatz zu den Leitern keinen Ausgangszustand auf, in dem es bereits Ladungen gibt oder Bewegung möglich wäre. Sie haben in ihrem Grundzustand fast keine freien Ladungen. Der Ladungstransport von Elektrizität in den Halbleiter, muss nämlich zuersteinmal aktiviert werden. Nur durch eine Reaktion der Ladungen in dem Halbleiter mittels

  • Licht
  • Wärme
  • oder einer ausreichenden elektrischen Spannung

kann Elektrizität in einen Halbleiter transportiert werden. Prinzipiell zählen zu den Halbleitern alle Elemente im Periodensystem, die zur vierten Hauptgruppe gehören. Ein Beispiel dafür wäre:

  • Gallium-Arsenid (GaAs)
  • Cadmium-Sulfid (CdS9)

Dotierungen

In Bezug auf Halbleitern, gibt es die Möglichkeit diese so zu beeinflussen, dass sie leichter dazu in der Lage sind Strom zu leiten. Das kann auf zwei Arten passieren:

  • Es werden gezielt nur negative Ladungen in den Halbleiter eingefügt
  • Es werden gezielt nur positive Ladungen in den Halbleiter eingefügt

Abb. 5: n- und p-Dotierung

(Quelle: www.elektronik-compendium.de)

Dieser Effekt kann auch erzielt werden, wenn eine negativ dotierte Schicht mit einer positiv dotierten Schicht verbunden wird. Dann heben sich die Ladungen paarweise auf und es entsteht ein freier Raum, auch Raumladungszone genannt. Auf diese Weise entstehen Löcher, wodurch wiederum Platz für Bewegung geschaffen wird.

Isolatoren

Grundsätzlich sind Isolatoren alle die Stoffe, welche überhaupt nicht leitungsfähig sind. Physikalisch gesehen bedeutet das also, dass sich die Ladungen nicht bewegen können. Die gängigsten Beispiele sind:

  • Gummi
  • Porzellan
  • Glas
  • Diamant
  • Destilliertes Wasser
  • Luft

Diese Stoffe haben gemeinsam, dass keine Ionen als Ladungstransport zur Verfügung stehen und somit auch keine Elektrizität in den Stoff beziehungsweise Körper geleitet werden kann. Bei extrem hohen Spannungen, kann es lediglich zu einer kurzzeitigen Entreißung einer Stoffbindung kommen. Die Folge ist ein sogenannter Durchschlag.

Durchschlag

Ein Durchschlag kann zum Beispiel während eines Gewitters beobachtet werden. Die veränderte Wetterlage bringt die Teilchen dazu sich zu bewegen. Durch die Reibung werden sie elektrisch aufgeladen. Da es jedoch keinen Leiter gibt, der die elektrische Spannung ableiten könnte, denn wie wir gelernt haben, ist die Luft kein Leiter, kommt es irgendwann zu einer Überspannung. An dieser Stelle findet dann eine schlagartige Entladung in Form eines Blitzes statt.

Abb. 6:Schlagartige Entladung in Form eines Blitzes(Quelle: www.welt.de)

Deshalb werden zum Schutz vor solchen Durchschlägen, Blitzableiter an Gebäuden angebracht. Diese können den elektrischen Strom kontrolliert ableiten.

Abb. 7: Blitzableiter

(Quelle: www.talu.de)

Alles Wichtige auf einen Blick

Damit du dich an die Wichtigsten Informationen erinnern kannst, haben wir hier eine kleine Zusammenfassung für dich:

  • Es gibt Leiter, Halbleiter und Isolatoren
  • Ein Stoff ist leitfähig, wenn er geladen ist und die Ladungen sich bewegen können
  • Leiter können Strom aufnehmen wohingegen Isolatoren keinen Strom aufnehmen können
  • Isolatoren können einen Durchschlag provozieren
  • Die Temperatur der Stoffe kann die Leitfähigkeit eines Körpers beeinflussen
  • Halbleiter können durch einen Extraaufwand Elektrizität leiten
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