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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!
Leiter werden grundsätzlich in drei Kategorien eingeteilt:
Schauen wir uns zunächst einmal die Leiter an. Teilchen können verschiedene Ladungen aufweisen. Nämlich entweder:
Abb. 1: Proton
(Quelle: www.leifiphysik.de)
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.
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?
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 kannst du dir unter einem Leiter vorstellen? Zu den bekanntesten gehören:
Diese Stoffe können Strom aufnehmen, also durch sich hindurch fließen lassen.
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:
Abb. 4: Leitfähigkeit fest, flüssig und gasförmig
(Quelle: www.frustfrei-lernen.de)
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 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
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:
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:
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.
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:
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.
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)
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