Elektrische Leiter: Definition, Arten und Eigenschaften

Ein elektrischer Leiter ist ein Material, das elektrische Ladung mit geringem Widerstand durchlassen kann. Elektrische Leiter sind in der Regel Metalle wie Kupfer, Silber, Gold, Aluminium und Eisen. Sie haben viele freie Elektronen, die sich leicht bewegen, wenn ein elektrisches Feld angewendet wird. Elektrische Leiter werden verwendet, um Drähte, Kabel, Schaltkreise und andere Geräte herzustellen, die elektrischen Strom leiten.

Was ist ein elektrischer Leiter?

Ein elektrischer Leiter wird definiert als ein Objekt oder ein Material, das den Fluss von Ladung in eine oder mehrere Richtungen ermöglicht. Materialien aus Metallen sind übliche elektrische Leiter, da Metalle eine hohe Leitfähigkeit und einen niedrigen Widerstand aufweisen.

Elektrische Leiter erlauben es Elektronen, zwischen den Atomen des Materials mit Driftgeschwindigkeit im Leitungsbereich zu fließen. Der Leitungsbereich ist das Energielevel, bei dem Elektronen sich innerhalb des Materials frei bewegen können. Der Leiter besteht aus Atomen, die lose gebundene Valenzelektronen haben, die durch ein elektrisches Feld oder einen thermischen Effekt angeregt werden können. Wenn ein Elektron vom Valenzband in den Leitungsbereich wechselt, hinterlässt es ein positives Loch, das auch eine Ladung tragen kann.

Elektrische Leiter können Metalle, Legierungen, Elektrolyte oder einige nichtmetallische Materialien wie Graphit und leitfähige Polymere sein. Diese Materialien erlauben Strom (d.h. den Fluss von Ladung) leicht durch sie hindurch.

Wie leitet ein Leiter Strom?

Der Strom in einem Leiter ist die Rate des Ladungsflusses durch einen Querschnitt des Leiters. Der Strom ist proportional zum elektrischen Feld und der Leitfähigkeit des Materials. Das elektrische Feld wird durch eine Spannungsdifferenz oder Spannung über den Leiter erzeugt. Die Leitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie leicht das Material den Ladungsfluss durchlässt.

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

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

• Die Spannungsdifferenz über den Leiter

• Die Länge und der Querschnitt des Leiters

• Die Temperatur und Zusammensetzung des Materials

• Das Vorhandensein von Verunreinigungen oder Defekten im Material

Welche Eigenschaften haben elektrische Leiter?

Einige der wichtigsten Eigenschaften elektrischer Leiter sind:

• Sie haben eine hohe Leitfähigkeit und einen niedrigen Widerstand

• Sie haben viele freie Elektronen in ihrem Leitungsbereich

• Sie haben keine Energielücke zwischen ihrem Valenzband und Leitungsbereich

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

• Sie haben innen null elektrisches Feld und null Ladungsdichte

• Sie haben nur freie Ladungen an ihrer Oberfläche

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

Welche Arten von elektrischen Leitern gibt es?

Elektrische Leiter können nach ihrem ohmschen Verhalten klassifiziert werden, das beschreibt, wie sie Ohms Gesetz befolgen. Ohms Gesetz besagt, dass der Strom in einem Leiter direkt proportional zur Spannungsdifferenz über ihm und indirekt proportional zu seinem Widerstand ist.

Ohmsche Leiter

Ohmsche Leiter sind Materialien, die Ohms Gesetz für jede Spannungsdifferenz und Temperatur befolgen. 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.

Beispiele: Silber, Kupfer, Aluminium, Eisen, usw.

Nicht-ohmsche Leiter

Nicht-ohmsche Leiter sind Materialien, die Ohms Gesetz für jede Spannungsdifferenz oder Temperatur nicht befolgen. 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 mit zunehmender Spannung abnimmt, oder positive Widerstände, bei denen der Strom mit zunehmender Spannung steigt, aber nicht proportional. Einige nicht-ohmsche Leiter können auch eine Schwellspannung haben, unter der kein Strom fließt.

Festkörperleiter

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

• Metallische Leiter: Dies sind Metalle oder Legierungen, die eine hohe Leitfähigkeit und einen niedrigen Spezifischen 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.

• Nichtmetallische Leiter: Dies sind nichtmetallische Materialien, die einige freie Elektronen oder Ionen in ihrer Struktur haben. Sie haben eine geringere Leitfähigkeit und einen höheren spezifischen Widerstand als Metalle. Einige Beispiele für nichtmetallische Leiter sind Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, usw.

Flüssigkeitsleiter