Die elektrische Leitfähigkeit
Wann ist ein Stoff elektrisch leitfähig ?
Ein Stoff ist elektrisch leitfähig, wenn er frei bewegliche geladene Teilchen enthält.
Auf dieser Seite
erfahren Sie mehr über
- die Leitfähigkeit von Metallen – gleich hier
- die Leitfähigkeit von Graphit
- die Leitfähigkeit von Salzen und anderen Ionenverbindungen
- die Leitfähigkeit in Ionenleitern – feste Salze leiten den Strom
- die Leitfähigkeit von Halbleitern
- Sonderfälle
- die Einheit der Leitfähigkeit
- Leitfähigkeit in Zahlen
Die Leitfähigkeit von Metallen
Warum leiten Metalle den Strom ? Haben Atome nur 1, 2 oder 3 Valenzelektronen, können sich zwischen 2 Atomen dieses Elements weder Ionen– noch Atombindungen ausbilden.
Ionenbindungen können nicht entstehen, weil dazu ein Atom seine Valenzelektronen abgeben müsste (das geht bei 1 – 3 Valenzelektronen gut) und das andere Atom diese Valenzelektronen aufnehmen müsste, um zusammen mit seinen eigenen Valenzelektronen eine Edelgaskonfiguration zu bilden. Das ist nicht möglich; es sind nicht genug Elektronen vorhanden.
Atombindungen können nicht entstehen, weil dazu 2 Atome ihre Valenzelektronen gemeinsam nutzen, um die Valenzschale mit 8 Elektronen zu besetzen. Auch dafür sind nicht genug Elektronen vorhanden.
Es bildet sich also die Metallbindung aus. Bei ihr sind alle Valenzelektronen im gesamten Kristall frei beweglich, sie werden sozusagen von allen Atomen gemeinsam genutzt. Man nennt diesen Zustand „Elektronengas”, obwohl er mit dem gasförmigen Zustand der Materie nichts zu tun hat.
Bild 1 : Stromleitung in Metallen
Was passiert bei der Stromleitung in Metallen ? Beim Anlegen einer Spannung wandern die Elektronen langsam durch den Kristall (und natürlich auch durch andere metallische Gegenstände wie z.B. Kupferdrähte). Die Situation ist in Bild 1 gezeigt.
Die wichtigsten Eigenschaften von metallischen Leitern sind
- Die Stromleitung bewirkt keine Zersetzung des Leiters
- Der Leiter hat einen negativen Temperaturkoeffizient, d.h. bei Erhöhung der Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab.
Warum leiten einige Metalle den Strom besser als andere ? Diese Frage lässt sich mit dem aus der Quantenmechanik abgeleiteten Bändermodell beantworten – nicht auf meinen Seiten.
Beispiele für metallische Leiter :
- demnächst hier
Die Leitfähigkeit von Graphit
Warum leitet Graphit den Strom ?
Bild 2 : Stromleitung in Graphit
Der Graphitkristall ist aus Schichten aufgebaut. Jede Schicht besteht aus unendlich vielen sechsgliedrigen Ringen aus Kohlenstoffatomen. Jedes Kohlenstoffatom benutzt 3 seiner Valenzelektronen, um Bindungen zu den Nachbaratomen auszubilden. Die übrigen, „vierten” Valenzelektronen bilden ein System delokalisierter Molekülorbitale, das heißt, sie sind in der gesamten Schicht frei beweglich, und es kann Stromleitung stattfinden. Bild 2 zeigt eine Situation, in der 2 Elektroden (Plus– und Minuspol) parallel zu den Schichten angelegt sind. Es wird Strom fließen.
Bild 3 : Senkrecht zu den Schichten findet in Graphit kein Stromfluss statt.
Graphit leitet also nur innerhalb der Schichten den elektrischen Strom. Senkrecht zu den Schichten (siehe Bild 3) ist es ein Isolator. Man nennt diese Erscheinung Anisotropie.
In käuflichem Graphit sind sehr viele winzige Kristalle regellos angeordnet, so dass sich gegeneinander verkantete Schichten einzelner Kristalle berühren. Stromleitung erfolgt so in alle Richtungen.
Die Leitfähigkeit von Salzen und anderen Ionenverbindungen
Warum leiten Ionenverbindungen den Strom ? Ionenverbindungen (das sind zum Beispiel Salze, Säuren, Oxide und Hydroxide) sind Stoffe, die in Ionen dissoziieren können. Positiv geladene Ionen heißen Kationen, negativ geladene heißen Anionen.
Bild 4 : In Ionenkristallen findet kein Stromfluss statt.
Im festen Zustand bilden Ionenverbindungen Kristalle. In diesen Kristallen sind die Ionen nicht frei beweglich, sondern befinden sich in einem Kristallgitter an festen Plätzen (Bild 4). Es kann also kein Stromfluss stattfinden.
Bild 5 : Im flüssigen Zustand fließt in Ionenverbindungen Strom.
Im flüssigen (geschmolzenen) Zustand sind die Ionen frei beweglich. Legt man eine Spannung an, wandern die Kationen zur Kathode, die Anionen zur Anode und entladen sich dort (Bild 5). Strom fließt. Dasselbe passiert im gelösten Zustand .
Was passiert beim Stromfluss in Ionenverbindungen ? Beim Anlegen einer Spannung wandern die Ionen : Kationen zur Kathode, Anionen zur Anode.
Die wichtigsten Eigenschaften von Ionenleitern sind :
- Bei Stromfluss zersetzt sich die Ionenverbindung. Sobald alle Ionen zu einer der Elektroden gewandert sind, sind (natürlich!) keine frei beweglichen Ionen mehr vorhanden, und es fließt kein Strom mehr.
- Ionenleiter haben einen positiven Temperaturkoeffizient, d.h. bei Erhöhung der Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit zu. Grund ist die abnehmende Viskosität des Wassers. Erst bei hohen Temperaturen nimmt die Leitfähigkeit wieder ab.
Warum leiten Metalle den Strom besser als Ionenverbindungen ? Die Ladungsträger in Metallen sind die Elektronen, in Ionenleitern sind es Ionen. Ionen sind viel größer als Elektronen und daher viel weniger beweglich.
Beispiele für Ionenleiter :
Anwendungen der Stromleitung in Lösungen von Ionenverbindungen :
- Elektrolyse
- galvanisches Element
- Akkumulatoren – ein Beispiel zeigt der Schulversuch zum Eisen–Nickel–Akku
Halbleiter
Hier können Sie demnächst mehr über die Leitfähigkeit von Halbleitern lesen.
Beispiele von Halbleitern :
- Iod – ein sehr schwacher Halbleiter
Sonderfälle
Und dann gibt es natürlich noch Stoffe, deren Leitfähigkeit nicht in eines der Schemata von oben passt.
Beispiele :
- Molekulare Schalter : Nicht ein Stoff ist leitfähig, sondern nur die einzelnen Moleküle. Man versucht, solche Moleküle wie Transistoren als Schalter einzusetzen.
Die Einheit der Leitfähigkeit
Die Einheit der Leitfähigkeit (auch Leitwert genannt) ist das Siemens, Kurzzeichen S. Für die Umrechnung gilt :
Die Leitfähigkeit ist also der Kehrwert des Widerstandes.
Die Leitfähigkeit L hängt von der Länge l und der Querschnittsfläche q des durchflossenen Leiters ab, außerdem natürlich vom Stoff, aus dem der Leiter besteht. Es gilt :
Hier ist κ (kappa) die spezifische Leitfähigkeit. Sie ist für jeden Stoff verschieden und hängt von der Temperatur, bei Lösungen auch von der Konzentration ab. Die Einheit der spezifischen Leitfähigkeit κ ist 1/Ohm ⋅ cm.
Wie groß ist die Leitfähigkeit ?
Die Leitfähigkeit verschiedener Stoffe ist sehr unterschiedlich. Sie erstreckt sich über viele Zehnerpotenzen. Bild 6 gibt einen ungefähren Überblick, in welcher Größenordnung die Leitfähigkeiten einzelner Stoffklassen liegen.
Bild 6 : Skala der elektrischen Leitfähigkeit
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