Elektrische Leiter

Was kann alles den elektrischen Strom leiten?

Damit elektrischer Strom fließt, bewegen sich Ladungsträger gemeinsam in eine Richtung. Im Alltag meistens in Kabeln. Mit folgendem Versuch kann man herausfinden, was alles Strom leitet.

Beim Experimentieren wird schnell klar, dass Metalle den Strom besonders gut leiten. Der Grund dafür sind bewegliche Ladungsträger, die Elektronen.

Elektrische Leitfähigkeit

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leitet

leitet nicht

Das Elektronengasmodell

Metalle haben eine spezielle Form der chemischen Bindung, die ihre charakteristischen Eigenschaften bestimmt. Um die Ursache dieser Eigenschaften zu erklären, werden verschiedene physikalische Modelle verwendet. Eines davon ist das Elektronengasmodell. Es baut auf dem Teilchenmodell auf.

Die meisten Metalle besitzen nur wenige Außenelektronen, die leicht vom Metallatom freigegeben werden können. Dadurch bleiben positiv geladene Atomrümpfe zurück. Die frei beweglichen Elektronen im metallischen Festkörper bewegen sich ähnlich wie die Teilchen eines idealen Gases in verschiedene Raumrichtungen. Sie werden als Elektronengas bezeichnet. Es sorgt aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen mit den positiven Atomrümpfen für den Zusammenhalt des Metalls. Das nennt man Metallbindung.

Stromleitung in Metallen

Beim Anlegen einer Spannung, wird das Elektronengas vom Minuspol in Richtung Pluspol gedrückt. So kommt zu einer ungeordneten Bewegung eine gerichtete Bewegung dazu. Die Atomrümpfe bleiben an Ort und Stelle.

Zu den Metallen, die in der Elektronik als Leiter verwendet werden, gehören Silber (bester Leiter), Kupfer, Gold und Aluminium.

Während elektrische Leitungen im Haushalt fast immer aus Kupfer sind, bestehen die Hochspannungsleitungen (Freileitungen) aus dem leichten und billigeren Aluminium (mit Stahlkern für bessere Belastbarkeit).

Salze – Leiter oder Nichtleiter

Salze sind in fester Form Nichtleiter. Das lässt sich mit einem Salzkristall einfach testen:

Sobald Salze schmelzen, oder in Wasser gelöst werden, ändert sich alles. Denn Salze bestehen aus Ladungsträgern. Speisesalz besteht aus dem positiv geladenen Na⁺ und dem negativ geladenen Cl^-. Im Festkörper sind sie unbeweglich in das Kristallgitter eingebaut. In der Lösung oder in der Schmelze bilden sie frei bewegliche Ionen und leiten den elektrischen Strom.

Da sich ganze Atome bewegen, finden Materialtransport und auch chemische Reaktionen statt.

Leiter, Halbleiter und Nichtleiter

Alle Materialien um uns herum besitzen eine gewisse, wenn auch manchmal sehr geringe, Leitfähigkeit. Das bedeutet, dass auch alle elektrischen Isolatoren (wie z. B. das PVC der Kabelummantelung) den Stromfluss nicht vollständig verhindern können. Er wird aber so winzig klein, dass er vernachlässigt werden kann. Nur Vakuum ist ein wirklich vollständiger Isolator.

Materialien, die nur extrem wenige freie Elektronen bzw. Ladungsträger aufweisen, werden als Nichtleiter bezeichnet. Das sind z. B. Edelgase, reines Wasser, reine Öle, Glas, Keramik, Kunststoffe, Gummi und Papier ...

Finde einen passenden Isolator für die Hochspannungsleitungen!

Halbleiter

Halbleiter haben bei sehr tiefen Temperaturen keine oder zu wenig freie Elektronen, sodass sie den Strom nicht leiten. Wenn sie Energie aufnehmen, z. B. durch Sonnenlicht oder durch Erwärmen, steigt die elektrische Leitfähigkeit sehr schnell an. Man kann aber auch durch das Einbringen von anderen Atomen in das Kristallgitter gezielt die Leitfähigkeit erhöhen. Beispiele für Halbleiter sind Silizium, Germanium, Kohlenstoff und Galliumarsenid. Sie stehen im Periodensystem der Elemente zwischen den Metallen (Leitern) und den Nichtleitern und werden in der Elektronikindustrie für Dioden, Integrierte Schaltungen, Widerstände, Leuchtdioden, Transistoren, etc. benötigt.

Ob Smartphone, Laptop oder Gaming PC, das Herzstück jedes digitalen Geräts besteht zu großen Teilen aus integrierten Schaltkreisen. Umgangssprachlich werden sie auch Chips oder Mikrochips genannt. Damit ist ein kleines Stück Halbleiter-Trägermaterial gemeint, mit vielen darauf aufgebrachten funktionalen Schichten. Am häufigsten wird heute Silizium für Chips und Solarzellen verwendet.

Durch Dotierung von Silizium mit anderen Elementen (Phosphor, Bor) entsteht ein Material, das entweder zusätzliche freie Elektronen hat (n-Typ), oder zusätzliche „Löcher“ in der Kristallstruktur aufweist, die Elektronen aufnehmen können (p-Typ). Das wird unter anderem für Transistoren, Dioden aber auch für Solarzellen benötigt.