Leiter (Physik)
Als Leiter (m.) bezeichnet man Stoffe, die verschiedene Arten von Energie oder Teilchen weiterleiten können.Es gibt Leiter für Strom, Wärme, Licht und Magnetismus. Wenn ein Stoff nicht leitet, nennt man ihn Isolator.
Table of contents |
2 Wärmeleiter 3 optische Leiter 4 Wellenleiter |
Elektrischer Leiter
Elektrische Leitung ist im wesentlichen der Transport geladener Teilchen.
Leiter 1. Klasse
Metalle sind Leiter 1. Klasse. Die Leitfähigkeit von Metallen beruht auf der Anzahl der Elektronen auf ihrer Außenschale. Metalle bilden eine Bindung in der die Elektronen nur schwach gebunden sind. Die Elektronen sind mehr oder weniger frei beweglich. Leiter haben die Eigenschaft des spezifischen Widerstands, einem Maß für die Leitfähigkeit. Die besten elektrischen Leiter sind Gold und Silber. Als günstigere Alternative wird aber das ebenfalls gut leitende Kupfer verwendet. Die Leitfähigkeit hängt auch von der Temperatur ab. Ihre Leitfähigkeit bleibt innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen konstant. Der spezifische Widerstand der meisten Leiter vergrößert sich bei Erwärmung.
quantenmechanisch betrachtet
Wenn man Metalle quantenmechanisch (Blochwellenfunktion, Fermistatistik) ergibt sich, dass die Elektronen nicht jede Energie annehmen können, sondern nur in bestimmten Energiebändern sein können - die Form dieser Bänder hängt vom Kristallgitter des Materials ab.
Die Fermienergie (ist in etwa die Energie der energiereichsten Elektronen) ermöglicht eine Unterscheidung:
- Wenn sie im untersten erlaubten Band (entspricht dem gebundenen Zustand) nennt man das Material einen Isolator.
- Wenn sie in einem erlaubten Band (Leitungsband) liegt spricht man von einem Leiter.
- Liegt die Kante zwischen den erlaubten Bändern ist es ein Halbleiter.
Ein interessanter Effekt bei Halbleitern ist die Löcherleitung (auch Fehlstellenleitung). Das in das Leitungsband aufgestiegene Elektron hinterlässt ein Loch in der Bindung. Dieses Loch verhält sich wie ein Elektron mit positiver Ladung und trägt auch zur Leitfähigkeit bei.
In Halbleiter können auch noch Fremdatome eingebracht werden. Man spricht dann von Dotierung. Die Fremdatome dienen entweder dazu zusätzliche Elektronen einzubringen - man spricht dann von n-Dotierung (zB N in Si-Kristall) oder enthalten weniger Elektronen um Löcher einzubringen, was p-Dotierung genannt wird(zB B in Si-Kristall).
Modelle::Drude-Theorie, Sommerfeld-Theorie, Bloch-Theorie
Supraleitung
Ein interessanter Effekt der bei niedrigen Temperaturen auftritt ist die Supraleitung dabei hat der Leiter gar keinen Widerstand. Der Effekt ist von quantenmechanischer Natur. Die nötige Temperatur ist vom der Legierung abhängig. Während die ersten untersuchten Supraleiter Temperaturen in der Nähe des Absoluten Nullpunktes benötigen sind heute auch so genannte Hochtemperatur Supraleiter bekannt, diese supraleiten schon bei Temperaturen in der "Nähe" der normalen Raumtemperatur.
Anwendungen:
- Für hochempfindliche Sensoren für elektro-magnetische Felder.
- zum vermindern der Widerstandsverluste in elektrischen Anlagen.
- verlustfreier Transport von Elektrizität.
Leiter 2. Klasse
So genannte Ionen-Leiter sind Leiter 2. Klasse. Als Beispiel für solche Leiter seien hier Salzlösungen genannt. Die Leitfähigkeit entsteht durch Dissoziation (Aufspaltung) der Bindung in Wasser. Die beiden Ionen trennen sich im Wasser und werden frei beweglich. Damit sind freie Ladungsträger als Voraussetzung für die Stromleitung vorhanden. Die Leitfähigkeit dieses Leiters kann sich im Laufe eines Versuchs verändern, wenn Teile der Ladungsträger andere chemische Bildungen eingehen. Dann kann man davon reden, dass der Leiter "verbraucht" wird.
Wärmeleiter
Die Wärmeleitung ist einer von drei Mechanismen in denen thermische Energie transportiert werden kann. (Die beiden anderen Möglichkeiten sind Strahlung und Konvektion (Strömung).)
In Festkörpern erfolgt der Wärmetransport durch Propagation von Anregungen. Eine gute Ausbreitungsmöglichkeit für Anregungen bieten Leitungselektronen, daher sind elektrische Leiter, insbesondere Metalle, auch gute Wärmeleiter. 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 der Schallgeschwindigkeit ab.
In Halbleitern treten beide Effekte auf.
Gute Wärmeleiter sind: Metalle Gute thermische Isolatorern sind: Holz, Kunststoffe, Salze
Entgegen allgemeiner Annahme ist Wasser ein schlechter Wärmeleiter. Wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport liefert hier, im Gegensatz zu Festkörpern, die Konvektion.
Weitere Modelle: Einsteinmodell des Festkörpers
optische Leiter
Dienen dazu Licht zu leiten. Man nützt aus, dass Licht wenn es unter einem gewissen Winkel auf eine Oberfläche trifft totalreflektiert wird. Meist verwendet man dazu Glasfasern.
Wellenleiter
Leiten elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen die deutlich größer sind als die von Licht und deshalb nicht durch optische Reflexion geleitet werden können. Werden meist für Mikrowellen verwendet.
Der Wellenleiter nützt aus, dass die Wellen Ströme induzieren. Sie sind im wesentlichen ein metallisches Rohr (rund oder auch rechteckig), dessen Durchmesser etwas grösser ist als die Wellenlänge der zu transportierenden Welle.
Ein bekannter Wellenleiter ist das Koaxkabel.