Was ist ein elektrischer Leiter?

Was ist ein elektrischer Leiter?

Definition eines elektrischen Leiters

Ein elektrischer Leiter ist definiert als ein Material, das den einfachen Fluss von Elektrizität zulässt, hauptsächlich aufgrund der Bewegung von Elektronen.

Ein elektrischer Leiter ist definiert als ein Objekt oder eine Art von Material, das den Fluss von Ladung in einer oder mehreren Richtungen ermöglicht. Materialien aus Metall sind häufige elektrische Leiter, da Metalle eine hohe Leitfähigkeit und einen geringen Widerstand aufweisen.

Elektrische Leiter ermöglichen es Elektronen, mit einer Driftgeschwindigkeit innerhalb des Leitungsbands zwischen Atomen zu reisen, einem spezifischen Energielevel, das die freie Bewegung von Elektronen unterstützt. Diese Leiter bestehen aus Atomen mit locker gebundenen Valenzelektronen, die durch elektrische oder thermische Effekte leicht angeregt werden können. Der Übergang eines Elektrons vom Valenzband zum Leitungsbereich hinterlässt ein positives Loch, das ebenfalls zur Ladungsbewegung beiträgt.

Elektrische Leiter können Metalle, Metalllegierungen, Elektrolyte oder einige Nichtmetalle wie Graphit und leitfähige Polymere sein. Diese Materialien lassen Elektrizität (d. h. den Fluss von Ladung) leicht durch sich hindurch passieren.

Leiter leiten Strom

Der Strom in einem Leiter repräsentiert die Rate, mit der die Ladung durch seine Querschnittsfläche fließt, direkt proportional sowohl zum elektrischen Feld als auch zur Leitfähigkeit des Leiters. Dieses elektrische Feld entsteht aus einer Spannungsdifferenz über dem Leiter, während die Leitfähigkeit quantifiziert, wie leicht das Material den Ladungsfluss erlaubt.

Wenn eine Spannungsdifferenz über einem Leiter angelegt wird, gewinnen die Elektronen im Leitungsbereich Energie und beginnen, vom negativen Terminal zum positiven Terminal der Spannungsquelle zu driften. Die Richtung des Stroms ist entgegengesetzt zur Richtung des Elektronenflusses, da Strom als Fluss von positiver Ladung definiert ist. Die Elektronen kollidieren mit Atomen und anderen Elektronen im Leiter, was Widerstand und Wärmeerzeugung verursacht. Der Widerstand ist ein Maß dafür, wie stark das Material den Fluss von Ladung durch sich hindurch widersetzt.

Der Strom in einem Leiter hängt von mehreren Faktoren ab, wie:

• Die Spannungsdifferenz über dem Leiter

• Die Länge und die Querschnittsfläche des Leiters

• Die Temperatur und Zusammensetzung des Materials

• Die Anwesenheit von Verunreinigungen oder Defekten im Material

Eigenschaften von elektrischen Leitern

• Sie haben eine hohe Leitfähigkeit und einen geringen Widerstand

• Sie haben viele freie Elektronen in ihrem Leitungsbereich

• Sie haben keine Energie-Lücke zwischen ihrem Valenzband und ihrem Leitungsbereich

• Sie haben metallische Bindungen, die ein Gitter von positiven Ionen umgeben von einer Elektronenwolke bilden

• Sie haben null elektrische Felder und null Ladungsdichte in ihrem Inneren

• Sie haben freie Ladungen nur an ihrer Oberfläche

• Sie haben ein elektrisches Feld, das senkrecht zu ihrer Oberfläche steht

Arten von Leitern

Ohmsche Leiter

Ohmsche Leiter sind Materialien, die Ohmsches Gesetz für jede Spannungsdifferenz und Temperatur folgen. Sie haben eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Strom, was bedeutet, dass ihr Widerstand konstant ist. Die meisten Metalle sind ohmsche Leiter unter normalen Bedingungen.

Nicht-ohmsche Leiter

Nicht-ohmsche Leiter sind Materialien, die Ohmsches Gesetz für keine Spannungsdifferenz oder Temperatur folgen. Sie haben eine nichtlineare Beziehung zwischen Spannung und Strom, was bedeutet, dass ihr Widerstand mit der angelegten Spannung variiert. Nicht-ohmsche Leiter können negative Widerstände aufweisen, bei denen der Strom abnimmt, wenn die Spannung zunimmt, oder positive Widerstände, bei denen der Strom zunimmt, wenn die Spannung zunimmt, aber nicht proportional. Einige nicht-ohmsche Leiter können auch eine Schwellenspannung haben, unter der kein Strom fließt.

Festkörperleiter

Festkörperleiter sind Materialien, die eine feste Form und Volumen haben. Sie können weiter in metallische und nicht-metallische Leiter unterteilt werden.

• Metallische Leiter: Dies sind Metalle oder Metalllegierungen, die eine hohe Leitfähigkeit und einen geringen Widerstand aufweisen. Sie haben eine Gitterstruktur von positiven Ionen, umgeben von einer See von freien Elektronen. Einige Beispiele für metallische Leiter sind Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Eisen, Messing, Bronze usw.

• Nicht-metallische Leiter: Dies sind Nichtmetalle, die einige freie Elektronen oder Ionen in ihrer Struktur haben. Sie haben eine geringere Leitfähigkeit und einen höheren Widerstand als Metalle. Einige Beispiele für nicht-metallische Leiter sind Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen usw.

Flüssige Leiter

• Flüssige Leiter: sind Materialien, die keine feste Form, aber ein festes Volumen haben. Sie können weiter in metallische und nicht-metallische Leiter unterteilt werden.

• Metallische Leiter: Dies sind Metalle, die bei Raumtemperatur oder bei Erhitzung in flüssigem Zustand sind. Sie haben eine hohe Leitfähigkeit und einen geringen Widerstand. Sie haben eine ähnliche Struktur wie feste Metalle, aber mit größerem interatomarem Abstand und Mobilität. Ein Beispiel für einen metallischen flüssigen Leiter ist Quecksilber.

• Nicht-metallische Leiter: Dies sind Flüssigkeiten, die gelöste Ionen oder Moleküle enthalten, die eine Ladung tragen können. Sie haben eine geringere Leitfähigkeit und einen höheren Widerstand als Metalle. Sie haben eine Struktur von polaren oder ionischen Lösungsmitteln in einem Lösungsmittel. Einige Beispiele für nicht-metallische flüssige Leiter sind Salzwasser, Säurelösungen, Elektrolyte usw.

Faktoren, die die Leitfähigkeit von elektrischen Leitern beeinflussen

Die Leitfähigkeit eines elektrischen Leiters hängt von mehreren Faktoren ab, wie:

• Die Art und Anzahl der freien Ladungsträger: Je mehr freie Elektronen oder Ionen in einem Material, desto höher ist seine Leitfähigkeit und desto geringer sein Widerstand.

• Die Größe und Form des Leiters: Je länger und dünner ein Leiter ist, desto geringer ist seine Leitfähigkeit und desto höher sein Widerstand.

• Die Temperatur des Leiters: Je höher die Temperatur eines Leiters, desto geringer ist seine Leitfähigkeit und desto höher sein Widerstand. Dies liegt daran, dass die thermische Agitation von Atomen und Elektronen die Kollisionen erhöht und die Mobilität der Ladungsträger reduziert.

• Die Anwesenheit von Verunreinigungen oder Defekten im Leiter: Je mehr Verunreinigungen oder Defekte in einem Leiter, desto geringer ist seine Leitfähigkeit und desto höher sein Widerstand. Dies liegt daran, dass die Verunreinigungen oder Defekte als Streuzentren für Ladungsträger fungieren und ihren mittleren freien Weg reduzieren.

• Die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes: Je höher die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes, desto geringer ist die Leitfähigkeit und desto höher der Blindwiderstand eines Leiters. Dies liegt daran, dass bei hohen Frequenzen die Ladungsträger den schnellen Änderungen des elektrischen Feldes nicht folgen können und ein entgegengesetztes magnetisches Feld erzeugen.

Anwendungen von elektrischen Leitern

Elektrische Leiter werden in einem breiten Spektrum wissenschaftlicher und ingenieurwissenschaftlicher Bereiche eingesetzt. Einige bemerkenswerte Anwendungen sind:

• Elektrische Leitungen: Elektrische Leitungen bestehen aus Kupfer- oder Aluminiumleitern, die elektrischen Strom von Energiequellen zu Lasten transportieren. Sie sind mit Isoliermaterialien beschichtet, um Kurzschlüsse und elektrische Schläge zu verhindern.

• Elektrische Schaltkreise: Elektrische Schaltkreise sind Netzwerke von elektrischen Komponenten, die bestimmte Funktionen mit elektrischem Strom ausführen. Sie bestehen aus verschiedenen Arten von Leitern, wie Leitungen, Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Dioden, Transistoren usw.

• Elektrische Maschinen: Elektrische Maschinen sind Geräte, die elektrische Energie in mechanische Energie oder umgekehrt mit elektrischem Strom und magnetischen Feldern umwandeln. Sie bestehen aus verschiedenen Arten von Leitern, wie Wicklungen, Rotor, Stator, Armaturen usw.

• Elektrische Sensoren: Elektrische Sensoren sind Geräte, die physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Licht, Schall usw. detektieren und sie in elektrische Signale umwandeln. Sie bestehen aus verschiedenen Arten von Leitern, wie Elektroden, Leitungen, Spulen, Widerständen, Kondensatoren usw. Einige Beispiele für elektrische Sensoren sind Thermoelemente, Fotodioden, LDRs, piezoelektrische Sensoren usw.

Fazit

Elektrische Leiter sind wesentliche Materialien für viele Anwendungen, die elektrischen Strom und elektrische Felder betreffen. Sie haben verschiedene Arten, Eigenschaften und Faktoren, die ihre Leitfähigkeit beeinflussen. Sie werden auch verwendet, um verschiedene Arten von elektrischen Sensoren herzustellen, die physische Phänomene detektieren und messen können. Elektrische Leiter entwickeln sich ständig mit neuen Technologien und Innovationen, um den Anforderungen verschiedener Industrien und Bereiche gerecht zu werden.