Elektrischer Leiter

Was ist ein elektrischer Leiter?

Ein Leiter oder elektrischer Leiter ist ein Stoff oder Material, durch den Strom fließen kann. In einem Leiter bewegen sich elektrische Ladungsträger, in der Regel Elektronen oder geladene Ionen, bei Anlegen einer Spannung leicht von einem Atom zum nächsten. Die meisten Metalle, etwa Kupfer, gelten als gute elektrische Leiter, während die meisten Nichtmetalle schlechte Leiter, also Isolatoren, sind.

Elektrische Leiter verstehen

Im Allgemeinen bezieht sich Leitfähigkeit auf die Fähigkeit eines Stoffes, Elektrizität oder Wärme zu übertragen. Ein guter Leiter ermöglicht den freien Fluss von Elektrizität, da er dem Elektronenfluss wenig oder gar keinen Widerstand entgegensetzt, was zu einem hohen elektrischen Stromfluss führt. Typischerweise sind Metalle, Metalllegierungen, Elektrolyte und sogar einige Nichtmetalle wie Graphit und Flüssigkeiten gute elektrische Leiter. Reines elementares Silber ist einer der besten elektrischen Leiter. Weitere gute elektrische Leiter sind:

• Kupfer
• Stahl
• Gold
• Platin
• Aluminium
• Messing

Reines, destiliertes Wasser ist ein elektrischer Isolator, aber schon mit einer geringen Zugabe von Salz wird es zu einem hervorragenden Leiter. Da der Mensch größtenteils aus Wasser besteht, sind wir auch gute elektrische Leiter. Deshalb führt die Berührung einer Person, die einen Stromschlag erleidet, dazu, dass die berührende Person denselben Schlag erhält.

In elektrischen und elektronischen Systemen sind die Leiter feste Metalle, die zu Drähten geformt oder auf Leiterplatten geätzt sind.

Alle normalen Leiter haben einen geringen Widerstand. Wenn zu viel Strom durch einen Leiter fließt, beginnt er sich zu erwärmen. Dies kann zu einem Brand in einem überlasteten Stromkreis führen. Supraleiter haben keinen Widerstand, sodass sie potenziell unbegrenzte Strommengen leiten können.

Wichtige Eigenschaften elektrischer Leiter

Zu den wichtigen Eigenschaften eines elektrischen Leiters gehören unter anderem:

• Er gewährleistet die freie Bewegung von Elektronen oder Ionen durch ihn hindurch.
• Er hat kein elektrisches Feld im Inneren, was die Bewegung von Elektronen oder Ionen ermöglicht.
• Außerhalb des Leiters steht das elektrische Feld senkrecht zur Oberfläche des Leiters.
• Er hat eine Ladungsdichte von Null, wodurch sich positive und negative Ladungen gegenseitig aufheben und freie Ladungen nur an der Oberfläche existieren.

Darüber hinaus haben Leiter einen geringen Widerstand und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Außerdem speichert ein Leiter, der in einem Magnetfeld angeordnet ist, keine Energie. Schließlich befinden sich beide Enden des Leiters auf dem gleichen Potenzial. Strom fließt durch den Leiter, wenn das Potenzial an einem Ende geändert wird, sodass Elektronen von einem Ende zum anderen fließen können.

Wie Leiter funktionieren

Nach der Elektronenbandtheorie in der Festkörperphysik haben Festkörper ein Valenzband und ein Leitungsband. Damit ein Material elektrischen Strom leiten kann, darf zwischen seinem Valenzband und seinem Leitungsband keine Energielücke bestehen. In Leitern überlappen sich diese Bänder daher, sodass Elektronen auch bei minimaler Spannung durch das Material fließen können. Da die äußeren Elektronen im Valenzband nur lose an das Atom gebunden sind, werden sie durch das Anlegen einer Spannung, einer elektromotorischen Kraft oder durch einen thermischen Effekt angeregt, wodurch sie vom Valenzband in das Leitungsband gelangen.

Im Leitungsband können sich diese Elektronen frei bewegen, was zu einer Elektronenüberzahl in diesem Band führt. Dabei bewegen sich die Elektronen nicht gradlinig, sondern in einer Hin- und Herbewegung. Deshalb wird ihre Geschwindigkeit als Driftgeschwindigkeit oder V_d bezeichnet. Aufgrund dieser Driftgeschwindigkeit kollidieren Elektronen mit Atomen des Materials oder anderen Elektronen innerhalb des Leitungsbandes des Leiters.

Wenn zwischen zwei Punkten im Leiter eine Potentialdifferenz besteht, fließen Elektronen vom Punkt mit niedrigerem Potential zum Punkt mit höherem Potential. Elektronen und Elektrizität fließen in entgegengesetzte Richtungen. In dieser Situation bietet das Leitermaterial nur einen geringen Widerstand.

Es ist nicht wahr, dass ein einzelnes Elektron vollständig durch einen Stromkreis fließen muss. Elektronen müssen sich lediglich frei zwischen den Atomen bewegen können. Aus diesem Grund funktioniert Wechselstrom (AC), da die Elektronen sehr schnell hin und her fließen.

Was sind Isolatoren?

Materialien, die keinen elektrischen Strom oder keine Wärme durchlassen, werden als Isolatoren oder dielektrische Materialien bezeichnet. Die meisten Isolatoren sind fest.

Beispiele hierfür sind:

• Holz
• Stoff
• Glas
• Quarz
• Glimmer
• Kunststoff
• Porzellan
• Gummi

Die meisten Gase und destilliertes Wasser sind ebenfalls gute Isolatoren.

Widerstände, Halbleiter, Supraleiter, Ionenleiter

Ein Material, das Strom relativ gut leitet, aber nicht so gut wie ein Leiter, wird als Widerstand bezeichnet. Ein typisches Beispiel für einen Widerstand ist eine Kombination aus Kohlenstoff und Ton, die in einem bestimmten Verhältnis gemischt wird, um einen konstanten, vorhersehbaren Widerstand gegen elektrischen Strom zu erzeugen. Alle normalen Leiter haben einen gewissen Widerstand.

Halbleiter sind unter bestimmten Bedingungen gute Leiter, unter anderen hingegen schlechte. In einem Halbleiter fungieren sowohl Elektronen als auch sogenannte Löcher – also Elektronenfehlstellen – als Ladungsträger. Beispiele für Halbleiter sind Silizium, Germanium und verschiedene Metalloxide.

Bei extrem niedrigen Temperaturen leiten Metalle Strom besser als alle anderen bekannten Stoffe bei Raumtemperatur. Dieses Phänomen wird als Supraleitung bezeichnet. Ein Stoff, der sich so verhält, wird als Supraleiter bezeichnet.

Ionische Leiter sind in der Regel flüssige Lösungen, in denen Element-Ionen suspendiert sind. Die Ionen können elektrische Ladung übertragen. Sie werden in Kondensatoren und Batterien verwendet. Lithium-Ionen-Batterien sind ein Beispiel für einen ionischen Leiter.

Auswirkungen der Temperatur auf die Leitfähigkeit

Bei dem Zusammenspiel von Temperatur und Leitfähigkeit muss zwischen Leitern und Halbleitern unterschieden werden:

Temperatur und elektrische Leitfähigkeit verhalten sich bei Metallen umgekehrt zueinander: Steigende Temperaturen wirken sich nachteilig auf die Leitfähigkeit aus. Mit zunehmender Temperatur nehmen die Gitterschwingungen im Metall zu, was die Bewegung der freien Elektronen behindert und dadurch die Leitfähigkeit verringert.

Bei Halbleitern hingegen steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. Höhere Temperaturen führen dazu, dass mehr Elektronen aus ihren Bindungen gelöst werden und als freie Ladungsträger zur Verfügung stehen. Dadurch kann das Material elektrischen Strom besser leiten.

Arten von Leitern

Aufgrund ihres ohmschen Verhaltens werden elektrische Leiter in folgende Kategorien eingeteilt:

• Ohmsche Leiter
• nicht-ohmsche Leiter

Ohmsche Leiter folgen immer dem Ohmschen Gesetz, wonach die angelegte Spannung direkt proportional zum fließenden Strom ist. Beispiele hierfür sind Aluminium, Kupfer und Silber. Nicht-ohmsche Leiter, die nicht dem Ohmschen Gesetz folgen, sind Thermistoren und lichtabhängige Widerstände oder Fotowiderstände.

Anwendungen von elektrischen Leitern

Leiter sind für viele Anwendungen nützlich, darunter die folgenden:

• Silber, einer der besten elektrischen Leiter: Aufgrund seines hohen Preises wird es selten verwendet und daher für Spezialanwendungen wie wissenschaftliche Geräte  benutzt. Auch in Solarzellen oder für Kontakte wird Silber als Leiter eingesetzt.
• Kupfer, ein ausgezeichneter Leiter: Es ist in den letzten Jahren teurer geworden, gilt aber nach wie vor als Hauptmaterial im Hausbau oder für Stromleitungen.
• Aluminium, ein guter Wärme- und elektrischer Leiter: Aufgrund seines niedrigen Preises werden heute viele Kabel aus Aluminium hergestellt.
• Gold, einer der besten Leiter: Es ist extrem teuer, aber sehr gut formbar, sodass nur sehr geringe Mengen in Verbindungsstücken verwendet werden müssen, um eine solide elektrische Verbindung zu gewährleisten.
• Eisen, ein guter Wärmeleiter: Eisen wird bei der Herstellung von Fahrzeugmotoren verwendet.
• Graphen, ein Leiter mit wabenartiger Struktur: Graphen ist eine einatomige Kohlenstoffschicht und wird als Leiter in OLEDs für flexible Displays und Touchscreens eingesetzt. Ebenso möglich ist die Verwendung als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkus, als Schaltkreis in Breitband-HF-Mixern oder als transparente Elektrode in einer Solarzelle.

Isolatoren werden ebenfalls für viele gängige Anwendungen eingesetzt. So wird beispielsweise Gummi zur Herstellung von feuerfester Kleidung und Schuhen genutzt. Kunststoff wird häufig in Elektrogeräten verbaut, um Benutzer vor Stromschlägen zu schützen. Isolatoren schützen Benutzer auch vor Feuer und Lärm.