Eigenschaften von elektrischen Leitern

Ein elektrischer Leiter ist ein Material, das elektrische Ladungen leicht durch sich hindurchbewegen lässt, wenn es einem Spannungsunterschied ausgesetzt ist. Elektrische Leiter sind für viele Anwendungen unerlässlich, wie zum Beispiel Verkabelung, Übertragungsleitungen, elektrische Maschinen, Heizelemente, elektrostatische Abschirmung und vieles mehr. In diesem Artikel werden wir die Eigenschaften von elektrischen Leitern, ihre Arten, Beispiele und Anwendungen untersuchen.

Was ist ein elektrischer Leiter?

Ein elektrischer Leiter wird definiert als ein Material, das freie Elektronen oder Ionen hat, die elektrischen Strom tragen können, wenn ein elektrisches Feld angewendet wird. Die Fähigkeit eines Materials, Elektrizität zu leiten, wird als Leitfähigkeit bezeichnet. Das Gegenteil eines Leiters ist ein Isolator, der sehr wenige oder keine freien Elektronen oder Ionen hat und keinen elektrischen Strom durch sich hindurchfließen lässt.

Die Leitfähigkeit eines Materials hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. seiner atomaren Struktur, Temperatur, Verunreinigungen und externen Einflüssen. Im Allgemeinen haben Metalle eine hohe Leitfähigkeit, da sie viele freie Elektronen in ihrer äußersten Schale haben, die sich leicht von einem Atom zum anderen bewegen können. Einige Beispiele für gute Leiter sind Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Eisen und Graphit. Nichtmetalle haben eine geringe Leitfähigkeit, da sie in ihrer äußersten Schale wenige oder keine freien Elektronen haben und diese fest halten. Einige Beispiele für Isolatoren sind Gummi, Glas, Holz, Kunststoff und Luft.

Einige Materialien haben eine mittlere Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren. Diese werden Halbleiter genannt und finden weite Verwendung in der Elektronik und Computertechnologie. Einige Beispiele für Halbleiter sind Silizium, Germanium, Galliumarsenid und Kohlenstoffnanoröhren.

Eigenschaften von elektrischen Leitern

Elektrische Leiter zeigen einige gemeinsame Eigenschaften, wenn sie im Gleichgewichtszustand sind. Diese Eigenschaften sind:

• Widerstand: Der Widerstand ist ein Maß dafür, wie stark ein Leiter den Fluss des elektrischen Stromes entgegenwirkt. Er hängt von den Materialeigenschaften, der Widerstandsfähigkeit, Länge, Querschnittsfläche und Temperatur ab. Die Widerstandsfähigkeit ist die intrinsische Eigenschaft eines Materials, die seinen Widerstand pro Längeneinheit und Fläche bestimmt. Sie steht im umgekehrten Verhältnis zur Leitfähigkeit. Leiter haben eine geringe Widerstandsfähigkeit und einen geringen Widerstand, während Isolatoren eine hohe Widerstandsfähigkeit und einen hohen Widerstand aufweisen. Der Widerstand führt dazu, dass ein Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie im Leiter umgewandelt wird. Dies wird als Joulesche Wärmewirkung oder Ohmsche Wärmewirkung bezeichnet.

• Induktivität: Die Induktivität ist ein Maß dafür, wie stark ein Leiter dem Änderungsverhalten des durch ihn fließenden elektrischen Stromes entgegenwirkt. Sie hängt von der Form, Größe, Ausrichtung und Anordnung des Leiters ab. Die Induktivität verursacht, dass ein magnetisches Feld um den Leiter erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. Dieses magnetische Feld kann eine elektromotorische Kraft (EMF) in demselben oder benachbarten Leitern induzieren, die dem Änderungsverhalten des Stromes entgegenwirken. Dies wird als Selbstinduktion oder gegenseitige Induktion bezeichnet. Die Induktivität beeinflusst die Stromverteilung und den Spannungsabfall in einem Leiter, wenn er für Wechselstrom (AC) verwendet wird.

• Das elektrische Feld innerhalb des Leiters ist null: Das elektrische Feld innerhalb eines perfekten Leiters ist null, da jedes elektrische Feld eine Kraft auf die freien Elektronen ausüben und sie beschleunigen würde, bis sie das Gleichgewicht erreichen. In Gleichgewichtsbedingungen ist die Netto-Kraft auf die freien Elektronen null, und sie bewegen sich nicht. Dies bedeutet, dass es innerhalb des Leiters keinen Spannungsunterschied gibt und alle Punkte das gleiche Potential haben. Diese Eigenschaft macht Leiter für die elektrostatische Abschirmung von elektrischen Geräten geeignet.

• Die Ladungsdichte innerhalb des Leiters ist null: Die Ladungsdichte innerhalb eines perfekten Leiters ist null, da jede Ladung ein elektrisches Feld erzeugen würde, das die gleiche Ladung an die Oberfläche des Leiters drängt. Die gegenseitige elektrostatische Abstoßung zwischen gleichartigen Ladungen (Elektronen) schiebt sie an die äußere Oberfläche des Leiters, wo sie so weit voneinander entfernt sein können, wie möglich. Dies bedeutet, dass es innerhalb des Leiters keine Ladung gibt und nur freie Ladung an der Oberfläche existiert.

• Freie Ladung existiert nur an der Oberfläche des Leiters: Wie oben besprochen, existiert die freie Ladung (Elektronen) nicht innerhalb des Leiters, sondern nur an seiner Oberfläche aufgrund der elektrostatischen Abstoßung. Die Menge und Verteilung der freien Ladung an der Oberfläche hängen von der Form und Größe des Leiters und dem auf ihn ausgeübten externen elektrischen Feld ab.

• Das elektrische Feld an der Oberfläche des Leiters ist normal zur Oberfläche: Das elektrische Feld an der Oberfläche eines perfekten Leiters ist normal (senkrecht) zur Oberfläche, da jede tangentielle Komponente die freien Elektronen entlang der Oberfläche bewegen würde, bis sie die tangentielle Komponente aufheben. Dies bedeutet, dass es keine parallele Komponente des elektrischen Feldes an der Oberfläche gibt und nur eine normale Komponente existiert.

Arten von elektrischen Leitern

Elektrische Leiter können nach ihrer Struktur, Zusammensetzung, Verhalten und Anwendung in verschiedene Arten unterteilt werden. Einige gängige Arten sind:

• Metallische Leiter: Diese sind Leiter, die aus Metallen oder Legierungen hergestellt sind, die aufgrund ihrer freien Elektronen eine hohe Leitfähigkeit aufweisen. Sie werden weit verbreitet für Verkabelungen, Übertragungsleitungen, elektrische Maschinen, elektrische Kontakte usw. verwendet. Einige Beispiele sind Silber (Ag), Kupfer (Cu), Gold (Au), Aluminium (Al), Eisen (Fe) usw.

• Ionenleiter: Diese sind Leiter, die aus ionischen Verbindungen hergestellt sind, die aufgrund ihrer freien Ionen, wenn sie in Wasser gelöst oder in flüssigen Zustand geschmolzen sind, eine hohe Leitfähigkeit aufweisen. Sie werden für Elektrolyse, Batterien, Brennstoffzellen usw. verwendet. Einige Beispiele sind Natriumchlorid (NaCl), Kaliumhydroxid (KOH), Schwefelsäure (H2SO4) usw.

• Molekulare Leiter: Diese sind Leiter, die aus Molekülen hergestellt sind, die aufgrund ihrer delokalisierten Elektronen oder molekularen Orbitale, die miteinander überlappen können, eine hohe Leitfähigkeit aufweisen. Sie werden für organische Elektronik, Nanotechnologie usw. verwendet. Einige Beispiele sind Graphit (C), Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Polyacetylen (PA) usw.

• Supraleiter: Diese sind Leiter, die bei Kühlung unter eine bestimmte kritische Temperatur einen Widerstand von null und eine unendliche Leitfähigkeit aufweisen. Sie zeigen auch andere Phänomene, wie den Meissner-Effekt, dauerhaften Strom, quantenmechanische Levitation usw. Sie werden für supraleitende Magnete, Quantencomputer, medizinische Bildgebung usw. verwendet. Einige Beispiele sind Quecksilber (Hg), Blei (Pb), Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) usw.

Anwendungen von elektrischen Leitern

Elektrische Leiter haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, Technik und Technologie. Einige gängige Anwendungen sind:

• Verkabelung: Die Verkabelung ist eine der häufigsten Verwendungen von elektr