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.
Elektrischer Leiter
Ein elektrischer Leiter (oder Konduktor) ist ein Medium, welches frei bewegliche Ladungsträger besitzt, und somit zum Transport geladener Teilchen benutzt werden kann. Diesen Transport nennt man elektrischen Strom.
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. Der beste elektrische Leiter ist 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) betrachtet, 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 die Fermienergie in einem erlaubten Band (Leitungsband) liegt spricht man von einem Leiter.
- Liegt die Fermieenergie zwischen den erlaubten Bändern ist es ein ...
- ... Isolator wenn der energetische Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband groß gegenüber der thermischen Energie ist.
- ... sonst ist es ein Halbleiter.
Halbleiter sind eine Sonderform, im reinen Zustand können ihre Kristallgitter stabile Elektronenbindungen aufbauen.
Die Elektronen können bei höherer Temperatur in ein Leitungsband aufsteigen, daher leiten Halbleiter im Gegensatz zu Metallen bei höheren Temperaturen besser.
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 ähnlich einem 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 (z.B. N in Si-Kristall) oder enthalten weniger Elektronen um Löcher einzubringen, was p-Dotierung genannt wird (z.B. B in Si-Kristall).
Modelle: Drude-Theorie, Sommerfeld-Theorie, Bloch-Theorie
Ein interessanter Effekt der bei niedrigen Temperaturen auftritt ist die Supraleitung. Dabei geht der Widerstand des supraleitenden Materials gegen Null. Der Effekt ist von quantenmechanischer Natur. Die nötige Temperatur ist von der Legierung abhängig. Während die ersten untersuchten Supraleiter Temperaturen in der Nähe des Absoluten Nullpunktes (Absoluter Nullpunkt) benötigten sind heute auch so genannte Hochtemperatur-Supraleiter bekannt, bei denen dieser Effekt schon bei Temperaturen in der "Nähe" der normalen Raumtemperatur auftritt.
Anwendungen:
- Für hochempfindliche Sensoren für elektromagnetische 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. Diese Leiter werden auch Elektrolyten genannt.
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 die Ausbreitung von Gitterschwingungen. Eine gute Ausbreitungsmöglichkeit für diese anregregten Schwingungen 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
elektromagnetische Wellenleiter
Hochfrequenz- und Mikrowellenleiter
Ein bekannter Wellenleiter für hochfrequente elektromagnetische Wellen ist das Koaxialkabel.
Der Wellenleiter für Mikrowellen 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 halbe Wellenlänge der zu transportierenden Welle.
Höchstfrequenzleiter
-Auszug aus Hohlleiter:
"Ein Hohlleiter ist ein Wellenleiter für elektromagnetische Wellen vorwiegend im Zentimeter-Wellenbereich (3 bis 30 GHz). Hohlleiter sind runde oder rechteckige Metallrohre, in denen sich derart hohe Frequenzen im Gegensatz zu Kabeln sehr verlustarm übertragen lassen." ff
Licht
Optische Wellenleiter gibt es in zwei Bauformen
- 1-Dimensional: Ein Beispiel sind als Lichtwellenleiter dienende Glasfasern. Bei konventionellen Glasfasern erfolgt die Lichtleitung mithilfe der Totalreflexion. Bei einigen modernen Varianten wird die Licht mithilfe von photonischen Kristallen geführt.
- 2-Dimensional: Ein Beispiel sind planare Wellenleiter. Sie werden z. B. in Halbleiterlasern eingesetzt.