EinLeiter, auchKonduktor, ist in derPhysik einStoff, der verschiedene Arten vonEnergie oderTeilchen zwischen unterschiedlichen Orten transportieren kann. Es existieren Leiter fürStrom,Wärme,Licht undMagnetismus. Ein nichtleitender Stoff wirdIsolator genannt.
Ein elektrischer Leiter ist einMedium, das eine hohe Dichte frei beweglicherLadungsträger und daher eine guteelektrische Leitfähigkeit sowie einen möglichst geringenelektrischen Widerstand besitzt, wodurch dieses zum Transportgeladener Teilchen geeignet ist;[1][2] diesen Transport nennt manelektrischen Strom.[3] Der gleichbedeutende, aber altertümliche Begriff für einen elektrischen Leiter,Konduktor, bezeichnet im engeren Sinne einen ausMetall gefertigten Ladungssammler in Form einer Dose oder Kugel anelektrostatischen Geräten.
Zu elektrisch leitenden Verbindungsdrähten für die Stromversorgung sieheElektrische Leitung.
Leiter 1. Klasse erfahren durch die elektrische Leitungkeine stoffliche Veränderung.
Metalle,Graphit und einige weitere chemische Verbindungen wieNiob(II)-oxid sind sog. Leiter 1. Klasse. Die Leitfähigkeit von Metallen (z. B. gemessen alsspezifischer Widerstand) beruhtnicht auf der Anzahl derElektronen auf ihrerAußenschale (Valenzelektronen), sondern ist in erster Linie durch dieGitterstruktur vorgegeben. Metalle bilden eine Kristallgitterstruktur, in der die Elektronen nur schwach gebunden sind und alsElektronengas angesehen werden können; das heißt, die Elektronen sind mehr oder weniger frei beweglich.
Der beste elektrische Leiter istSilber,Kupfer steht ihm kaum nach, ist aber leichter und wesentlich preiswerter. Noch mehr gilt dies fürAluminium, was die beste massenspezifische Leitfähigkeit hat. Daher kommen in der Technik im Wesentlichen Kupfer (Leitungen, Leiterbahnen, Spulen) und Aluminium (Schwingspulen von Lautsprechern) als elektrische Leiter zum Einsatz.
Die Leitfähigkeit hängt auch von derMaterialtemperatur ab. Bei Metallen steigt der spezifische Widerstand mit Temperaturerhöhung geringfügig (sieheElektrische Leitfähigkeit#Temperaturabhängigkeit); beiKohle undHalbleitern kann der Widerstand mit Temperaturzunahme auch sinken.
Bei einigen (zum Teil auchisolierenden) Materialien kann bei sehr niedrigen Temperaturen der spezifische Widerstand auf Null springen. Diesen Zustand nennt manSupraleitung.
Wenn man Metallequantenmechanisch betrachtet (Blochwellenfunktion,Fermi-Dirac-Statistik), ergibt sich, dass die Elektronen nicht jedeEnergie annehmen können, sondern nur in bestimmtenEnergiebändern existieren können – die Form dieser Bänder hängt vom Kristallgitter des Materials ab.
DieFermi-Energie (die Energie des energiereichsten Elektrons bei der Temperatur 0 Kelvin) ermöglicht eine Unterscheidung:
Halbleiter sind eine Sonderform: Im reinen Zustand können ihre Kristallgitter stabileElektronenbindungen aufbauen. Die Elektronen können bei höherer Temperatur in ein Leitungsband aufsteigen; daher leiten Halbleiter im Vergleich zu Metallen bei höheren Temperaturen besser.
Ein interessanter Effekt bei Halbleitern ist dieLöcherleitung (auchDefektelektronenleitung): Das in das Leitungsband aufgestiegene Elektron hinterlässt ein Loch in der Bindung, das sich ähnlich einem Elektron mit positiver Ladung verhält und auch zur Leitfähigkeit beiträgt.
In Halbleiter können auch nochFremdatome eingebracht werden – man spricht dann vonDotierung. Die Fremdatome dienen entweder dazu, zusätzliche Elektronen einzubringen – man spricht dann vonn-Dotierung (z. B.Stickstoff inSiliciumkristall) – oder enthalten weniger Elektronen, um Löcher einzubringen, wasp-Dotierung genannt wird (z. B.Bor in Siliciumkristall).
Supraleitung kann bei tiefen Temperaturen auftreten. Dabei springt der Widerstand des supraleitenden Materials unterhalb einer Grenztemperatur auf Null, wasquantenmechanisch erklärt werden kann. Diese Grenztemperatur ist von derLegierung abhängig: Während die ersten untersuchten Supraleiter Temperaturen in der Nähe desabsoluten Nullpunktes benötigten, sind heute auch sogenannteHochtemperatur-Supraleiter bekannt, bei denen dieser Effekt genauso bei höheren Temperaturen auftritt. Es handelt sich dabei aber noch immer um sehr niedrige Temperaturen (unter −130 °C).
Leiter 2. Klasse werden durch den Leitungsvorgangstofflich verändert.
SogenannteIonenleiter sind Leiter 2. Klasse.Die Leitfähigkeit entsteht durchDissoziation (Aufspaltung) der (ionischen)Kristallgitterstruktur unter Bildung vonelektrisch geladenen, beweglichenIonen im sogenanntenElektrolyt. Dies kann durch Auflösen in einempolarenLösungsmittel (wieWasser) oder durchSchmelzen geschehen.
Klassisches Beispiel sind Salzlösungen. LöslicheSalze werden beim Lösungsvorgang insolvatisierte (als vom Lösungsmittel umgebene) positive und negative Ionen zerlegt; diese bewirken dieLeitfähigkeit. Die positiven Ionen wandern dabei in Richtung der negativenKathode und werden daherKationen genannt; die negativenAnionen wandern zur positivenAnode. An denElektroden werden die jeweiligen Ionen durchElektronenübertritt entladen. Das kann zum Beispiel zurgalvanischen Abscheidung vonMetall, zum Freiwerden vonChlor (ausNatriumchlorid) oder zurElektrolyse von Wasser zuWasserstoff undSauerstoff verwendet werden.
Bei höheren Temperaturen (oberhalb ca. 600 °C) wirdGlas (auch) als Ionenleiter elektrisch leitfähig. Dies wird z. B. in entsprechendenSchmelzöfen genutzt, indem nach konventioneller Aufheizung dieGlasschmelze dann direkt durch Elektroden, die eingetaucht werden, – also durch denStromfluss – beheizt wird.
DieWärmeleitung ist einer von drei Mechanismen, in denenthermische Energie transportiert werden kann. (Die beiden anderen Möglichkeiten sindStrahlung undKonvektion (Strömung).)
InFestkörpern erfolgt derWärmetransport durch die Ausbreitung von Gitterschwingungen. Eine gute Ausbreitungsmöglichkeit für diese anregenden Schwingungen bieten Leitungselektronen, daher sind elektrische Leiter, insbesondere Metalle, auch gute Wärmeleiter (Wiedemann-Franzsches Gesetz). Die Behandlung dieses Phänomens erfolgt in der Regel zweckmäßigerweise im Modell eines freien oder quasifreien Elektronengases (also von Elektronen, die sich in guter Näherung annähernd frei im Festkörper bewegen können, vergleichbar der Beweglichkeit eines Gases (Drude-Theorie,Sommerfeld-Theorie)). Da bei dieser Leitung die Elektronen bewegt werden, entsteht auch ein Stromfluss (Seebeck-Effekt).
In elektrischen Isolatoren wird die Wärme im Wesentlichen durch Gitterschwingungen (Phononen) übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit hängt daher von derSchallgeschwindigkeit ab.
In Halbleitern treten beide Effekte auf.
Gute Wärmeleiter sind: Metalle.
Schlechte Wärmeleiter sind: Holz, Kunststoffe, Salze.
Entgegen allgemeiner Annahme ist Wasser ein schlechter Wärmeleiter. Wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport liefert hier, im Gegensatz zu Festkörpern, dieKonvektion.
Weitere Modelle:Einstein-Modell des Festkörpers
Ein bekannter Wellenleiter für hochfrequente elektromagnetische Wellen ist dasKoaxialkabel.
Der Wellenleiter fürMikrowellen nützt aus, dass die Wellen Ströme induzieren. Sie bestehen in der Regel aus einem metallischen Rohr (rund oder auch rechteckig), dessen Durchmesser etwas größer als die halbe Wellenlänge der zu transportierenden Welle ist.
Ein Hohlleiter ist ein Wellenleiter für elektromagnetische Wellen vorwiegend im Zentimeter-Wellenbereich (3 bis 30 GHz). Als Hohlleiter bezeichnet man runde oder rechteckige Metallrohre, in denen sich derart hohe Frequenzen im Gegensatz zu Kabeln sehr verlustarm übertragen lassen.
Optische Leiter bzw. genauer:optischeWellenleiter gibt es in zwei Bauformen:
| Medium | µr | Einteilung |
|---|---|---|
| Supraleiter erster Art | 0 | ideal diamagnetisch |
| Blei,Zinn,Kupfer | < 1 | diamagnetisch |
| Vakuum | 1 | (neutral per Definition) |
| Luft,Aluminium,Platin | > 1 | paramagnetisch |
| Kobalt | 80…200 | ferromagnetisch |
| Eisen | 300…10.000 | ferromagnetisch |
| Ferrite | 4…15.000 | ferromagnetisch |
| Mumetall (NiFe), geglüht in Wasserstoff | 50.000…140.000 | ferromagnetisch |
Die magnetische Leitfähigkeit, auchmagnetische Permeabilität (μ) genannt, ist ein Maß für die Durchlässigkeit fürmagnetische Felder. Sie ist eng verwandt mit dermagnetischen Suszeptibilität.Permeabilität ist das Verhältnis dermagnetischen FlussdichteB zurmagnetischen FeldstärkeH.
Diemagnetische Feldkonstanteμ 0 ist einephysikalische Konstante für die magnetische Leitfähigkeit des Vakuums. DiePermeabilitätszahl μ r, früher auch als relative Permeabilität bezeichnet, ist das Verhältnis vonμ zur magnetischen Feldkonstanteμ 0.
Für das Vakuum ergibt sich folglich eine Permeabilitätszahl von 1. DieGröße der Dimension Zahlμ r hängt mit der magnetischen Suszeptibilität χ über die Formel zusammen.
Die völlige Undurchlässigkeit von Supraleitern für Magnetfelder heißtMeißner-Ochsenfeld-Effekt.
