Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe [Bearbeiten]
Elektrische Leitfähigkeit ausgewählter Materialien bei einer Temperatur von 300 K (circa 27 °C) Material „Einordnung“ σ in S/m Quelle
Silber Metall 61,39 · 106
Kupfer Metall ≥ 58,0 · 106 [1] [2]
Gold Metall 44,0 · 106 [3]
Aluminium Metall 36,59 · 106 [3]
Natrium Metall 21 · 106
Wolfram Metall 18,38 · 106 [3]
Messing (CuZn37) Metall ≈ 15,5 · 106
Eisen Metall 10,02 · 106 [3]
Chrom Metall 8,74 · 106 [3]
Blei Metall 4,69 · 106 [3]
Titan (bei 273 K) Metall 2,56 · 106 [3]
Edelstahl (1.4301) Metall 1,4 · 106 [4]
Quecksilber Metall 1,04 · 106
Gadolinium Metall 0,74 · 106
Graphit (parallel zu Schichten) Nichtmetall 3 · 106
Diamant Nichtmetall 1·10-4
Germanium Halbleiter 1,45
Silizium, undotiert Halbleiter 2,52 · 10−4
Tellur Halbleiter 0,005
Meerwasser – ≈ 5
Leitungswasser – ≈ 0,05
reines Wasser – 5 · 10−6
Nach der elektrischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in
* Supraleiter (viele Metalle, verschiedene Legierungen, einige wenige Keramiken und manche Fullerene)
Unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur sinkt der elektrische Widerstand auf einen unmessbar kleinen Wert und die Leitfähigkeit wird quasi „unendlich“.
* Leiter (insbesondere alle Metalle)
Typischerweise (bei 25 °C): > 106 S/m.
Die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle hat Silber.
* Halbleiter (beispielsweise Silizium, Germanium)
Bei Halbleitern hängt die Leitfähigkeit von verschiedenen Faktoren wie Temperatur, Druck oder Belichtung ab. Die Leitfähigkeit von Halbleitern liegt dabei zwischen der von Leitern und Nichtleitern (Isolatoren): Diese Einteilung stammt noch aus Zeiten, als man die Eigenschaften spezieller Halbleiter wie Germanium und Silizium nicht kannte, insbesondere die Möglichkeit, ihre Leitfähigkeit durch gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung) zu verändern. Halbleiter wurden in der Folge vor allem dadurch interessant, dass man mit ihnen spezielle Bauelemente der Elektronik wie z. B. Transistoren herstellen kann.
* Nichtleiter oder Isolatoren (die meisten Nichtmetalle sowie Kohlenwasserstoffe und viele organische Verbindungen)
Typischerweise < 10−8 S/m.
* Bei Elektrolytlösungen schließlich spricht man von einer elektrolytischen Leitfähigkeit. Hierbei bezieht man die spezifische Leitfähigkeit auf den Widerstand einer Ein-Elektrolytlösung zwischen zwei Elektroden mit einem Abstand l von 1 cm und einem Querschnitt q von 1 cm², früher bei 18 °C, heute nach DIN/E-Norm bei 25 °C. Zur auf seine Konzentration bezogenen Leitfähigkeit eines Elektrolyten siehe Molare Leitfähigkeit.
Warum ist ein Stoff elektrisch leitfähig? [Bearbeiten]
Die Leitfähigkeit eines Stoffes oder Stoffgemisches hängt von der Verfügbarkeit beweglicher Ladungsträger ab. Dies können locker gebundene Elektronen wie beispielsweise in Metallen, aber auch Ionen oder delokalisierte Elektronen in organischen Molekülen sein, wie sie häufig durch mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden.
Reines, d.h. destilliertes oder demineralisiertes, Wasser hat zunächst einmal eine äußerst geringe Leitfähigkeit und wird deshalb gelegentlich schon als Nichtleiter betrachtet. Werden dem Wasser dagegen Salze, Säuren oder Basen hinzugefügt, die in wässriger Lösung freibewegliche Ionen freisetzen, steigt die Leitfähigkeit entsprechend an, und so hat Meerwasser beispielsweise eine höhere Leitfähigkeit als Süßwasser.
Das Gebot, elektrische Brände nicht mit Wasser, geschweige denn Nasslöschern zu löschen, hat ebenfalls darin seinen Grund: Schon der geringe Salzgehalt herkömmlichen Leitungswassers macht es hinreichend leitfähig, um das Löschpersonal damit dem Risiko eines Stromschlags auszusetzen, und bei Nasslöschern ist diese Leitfähigkeit durch die Salzhaltigkeit des Löschwassers sogar noch höher.
In Halbleitern nutzt man gezielte Verunreinigungen des Grundmaterials, sogen. (Dotierungen, um seine Leitfähigkeit zu beeinflussen. Wird das Grundmaterial mit Elektronendonatoren (Elemente mit mehr Außenelektronen als das Grundmaterial) versetzt, spricht man von n(egativ)-Dotierung, bei Zusatz von Elektronenakzeptoren (Elemente mit weniger Elektronen als das Grundmaterial) dagegen von p(ositiv)-Dotierung. Durch die p-Dotierung entstehen Elektronenfehlstellen, auch Löcher oder „Lochelektronen“ genannt, die ebenso zur Leitung des elektrischen Stroms und damit Erhöhung der Leitfähigkeit beitragen wie die überzähligen Elektronen im Falle n-dotierter Halbleiter.
Ein Modell zur Veranschaulichung und Erklärung der Leitfähigkeit eines Kristalls ist durch das Bändermodell gegeben.
Da die thermische Leitfähigkeit in metallischen Festkörpern vor allem durch die Elektronen bestimmt wird, sind elektrische und thermische Leitfähigkeit durch das Wiedemann-Franzsche Gesetz verknüpft.
Ursache des elektrischen Widerstandes [Bearbeiten]
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