Spezifischer Leitwert oder elektrische Leitfähigkeit κ (kappa)
Die Eignung verschiedener Stoffe zum Leiten von Strom wird durch die Zahl und Beweglichkeit der freien Ladungsträger in ihnen bestimmt. Da die Leitfähigkeit, also die Beweglichkeit freier Ladungsträger, von der Temperatur abhängig ist, wird die Leitfähigkeit bei einer Temperatur von 25°C angegeben.
Bei Festkörpern, insbesondere Metallen, gibt es einen engen Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit. Gute elektrische Leiter sind auch gute Wärmeleiter.
Die elektrische Leitfähigkeit fester Körper hat bei Raumtemperatur die Variationsbreite von 24 Zehnerpotenzen. Das führt zur Einteilung in drei elektrische Stoffklassen.
| Leiter (Metalle) | Halbleiter | Nichtleiter (Isolatoren) |
|---|---|---|
| Silber | Germanium | Porzellan |
| Kupfer | Silizium | Glas |
| Aluminium | Selen | Kunststoffe |
| Galliumarsenid |
Leiter (Metalle)
Man unterscheidet zwischen Elektronenleiter und Ionenleiter. Elektronenleiter bestehen aus Metallatomen, die untereinander eine feste Bindung eingehen. Deren Valenzelektronen werden dabei abgegeben. Die Valenzelektronen sind die Elektronen auf der äußersten Schale des Atoms. Die Atome werden dadurch zu positiven Ionen. Die Ionen nehmen einen gleichmäßigen Abstand zueinander ein und bilden ein Gitter in dem sich die freien Elektronen wie eine Wolke bewegen (Elektronengas). Die negativ geladene Elektronenwolke hält die positiv geladenen Ionen zusammen.
Setzt man den Leiter einer elektrischen Spannung aus, dann bewegen sich die Elektronen in eine bestimmte Richtung. Es fließt ein Elektronenstrom vom Minuspol zum Pluspol.
In Metallen ist die Zahl der freien Ladungsträger sehr groß (je Atom ein freies Elektron). Ihre Beweglichkeit ist eingeschränkt, die elektrische Leitfähigkeit hoch. Die Leitfähigkeit guter Leiter liegt bei 106 Siemens/cm.
Der Strom, der beim Anlegen einer Spannung fließt, ist nichts anderes als die große Menge von Elementarladungen. Ein Elektron ist mit 10-19 Coulomb beteiligt. Wenn durch einen Leiter eine Sekunde lang 1019 Elektronen fließen, dann kann man eine Stromstärke von 1 Ampere messen.
Zu beachten ist, dass der Elektronenstrom keine Veränderung im Metall hervorruft. Anders im Ionenleiter. Das sind leitende Flüssigkeiten (Elektrolyte), Schmelze und ionisierte Gase. Die Ladungsträger sind sowohl positive, wie auch negative Ionen. Durch den Ionenstrom entsteht eine Veränderung des Stoffs.
Nichtleiter (Isolatoren)
Zu den Nichtleitern zählen feste Stoffe, wie Kunststoff, Gummi, Glas, Porzellan, Papier, Flüssigkeiten, wie reines Wasser (H2O), Öle und Fette, aber auch Vakuum und Gase unter bestimmten Bedingungen.
Üblicherweise verwendet man Isolatoren oder Isolierstoffe um elektrische Leiter voneinander elektrisch zu trennen (isolieren).
In Isolatoren ist die Zahl der freien Ladungsträger gleich Null. Die elektrische Leitfähigkeit ist deshalb auch verschwindend gering. Die Leitfähigkeit von guten Isolatoren liegt bei 10-18 Siemens/cm.
Halbleiter
Die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter liegt zwischen der von Metallen und Isolatoren. Halbleiter unterscheiden sich von Leitern dadurch, dass die Valenzelektronen erst durch äußere Einflüsse, wie Druck, Temperatur, Belichtung oder Magnetismus frei werden und erst danach die Leitfähigkeit einsetzt.
Halbleiterstoffe sind zum Beispiel Silizium, Germanium und Selen.
Formelzeichen
Das Formelzeichen der elektrischen Leitfähigkeit ist κ (kappa), γ (gamma) oder σ (sigma).
Üblicherweise wird das kleine κ manchmal auch γ (gamma) verwendet. Leider ist das nirgends genau definiert.
Maßeinheit
Die Maßeinheit der elektrischen Leitfähigkeit ist
Formeln zur Berechnung
Die elektrische Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstandes. Daher auch die Bezeichnung spezifische Leitfähigkeit.
Beispiele für die spezifische Leitfähigkeit
Je nach Atomaufbau haben metallische Leiter eine unterschiedliche Leitfähigkeit. Die höchste Leitfähigkeit hat Silber, dicht gefolgt von Kupfer. Deshalb wird Kupfer auch als Material für metallische Leiter verwendet. Es ist günstig und lässt sich leicht herstellen. Silber dagegen ist viel zu teuer und lässt sich für Litzekabel nicht verwenden. Erst dann, wenn es auf eine sehr hohe Leitfähigkeit ankommt, insbesondere an der Außenhaut (Skineffekt), dann wird der Kupferdraht mit Silber überzogen.
| Silber | κ = 66,0 bei 20°C |
|---|---|
| Kupfer | κ = 56,0 bei 20°C |
| Gold | κ = 45,45 bei 20°C |
| Aluminium | κ = 36 bei 20°C |
| Zink | κ = 16,0 bei 20°C |
| Nickel | κ = 10,5 bei 20°C |
| Platin | κ = 10,2 bei 20°C |
| Zinn | κ = 8,7 bei 20°C |
Interessant ist dabei generell, dass jeder Halbleiter bei Erwärmung leitender wird, weil mehr Ladungsträger freigesetzt werden. Bei einem Leiter ist es genau umgekehrt. Da nimmt die Leitfähigkeit ab, weil es nicht mehr freie Ladungsträger gibt. Aber die freien Ladungsträger stoßen bei mehr Temperatur an die Atomhüllen und das erhöht letztlich den elektrischen Widerstand.
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