Leiter (Physik)

Grundidee und Arten von Leitern

Ein Leiter, auch Konduktor, ist ein Stoff, der Energie oder Teilchen zwischen verschiedenen Orten transportieren kann. Je nach transportierter Größe unterscheidet man elektrische Leiter für Strom, Wärmeleiter, optische beziehungsweise elektromagnetische Wellenleiter für Licht und elektromagnetische Wellen sowie magnetische Leiter für Magnetfelder. Ein Stoff, der nicht oder nur sehr schlecht leitet, heißt Isolator.

Die Eigenschaften eines Leiters hängen davon ab, welche beweglichen Teilchen oder physikalischen Anregungen den Transport ermöglichen. Bei Metallen sind es vor allem frei bewegliche Elektronen, in Elektrolyten Ionen, in Festkörpern bei der Wärmeleitung Gitterschwingungen und bei optischen Leitern elektromagnetische Wellen.

Elektrische Leiter und ihre Unterteilung

Ein elektrischer Leiter ist ein Medium mit einer hohen Dichte frei beweglicher Ladungsträger. Deshalb besitzt er eine gute elektrische Leitfähigkeit und einen möglichst geringen elektrischen Widerstand. Der Transport geladener Teilchen wird elektrischer Strom genannt.

Leiter 1. Klasse werden durch die elektrische Leitung stofflich nicht verändert. Dazu gehören Metalle, Graphit und einige chemische Verbindungen, etwa Niob(II)-oxid. In Metallen sind die Elektronen im Kristallgitter nur schwach gebunden und können als annähernd frei bewegliches Elektronengas betrachtet werden. Die Leitfähigkeit wird dabei vor allem durch die Gitterstruktur bestimmt, nicht durch die bloße Anzahl der Valenzelektronen.

Silber ist der beste elektrische Leiter. Kupfer leitet kaum schlechter, ist aber leichter und wesentlich preiswerter. Aluminium besitzt die beste massenspezifische Leitfähigkeit. Daher werden in der Technik vor allem Kupfer für Leitungen, Leiterbahnen und Spulen sowie Aluminium, etwa für Schwingspulen von Lautsprechern, verwendet. Bei Metallen steigt der spezifische Widerstand mit zunehmender Temperatur geringfügig. Bei Kohle und Halbleitern kann der Widerstand dagegen mit steigender Temperatur sinken.

Leiter 2. Klasse werden durch den Leitungsvorgang stofflich verändert. Sie sind meist Ionenleiter. Ihre Leitfähigkeit entsteht durch die Dissoziation, also die Aufspaltung einer ionischen Kristallgitterstruktur, wobei bewegliche positive und negative Ionen in einem Elektrolyten entstehen. Das geschieht beispielsweise beim Auflösen in einem polaren Lösungsmittel wie Wasser oder beim Schmelzen.

In einer Salzlösung wandern positive Ionen zur negativen Kathode und heißen deshalb Kationen. Negative Ionen wandern zur positiven Anode und heißen Anionen. An den Elektroden werden die Ionen durch Elektronenübertritt entladen. Dadurch können beispielsweise Metalle galvanisch abgeschieden, Chlor aus Natriumchlorid freigesetzt oder Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff elektrolysiert werden. Oberhalb von etwa 600 °C wird auch Glas als Ionenleiter leitfähig; Glasschmelzen können dann durch eingetauchte Elektroden direkt beheizt werden.

Die Bezeichnungen Leiter 1. Klasse und Leiter 2. Klasse sind nicht mit den elektrotechnisch genormten Leiterklassen 1 bis 6 zu verwechseln.

Quantenmechanische Erklärung und Halbleiter

In der quantenmechanischen Beschreibung von Metallen können Elektronen aufgrund der Bloch-Wellenfunktion und der Fermi-Dirac-Statistik nicht beliebige Energien annehmen. Sie befinden sich in bestimmten Energiebändern, deren Form von der Kristallgitterstruktur abhängt.

Die Fermi-Energie ist die Energie des energiereichsten Elektrons bei 0 Kelvin. Liegt sie in einem erlaubten Band, dem Leitungsband, handelt es sich um einen Leiter. Liegt sie zwischen erlaubten Bändern, entscheidet der Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband: Ist er groß gegenüber der thermischen Energie, ist der Stoff ein Isolator; andernfalls ein Halbleiter.

Halbleiter können im reinen Zustand stabile Elektronenbindungen im Kristallgitter bilden. Bei höherer Temperatur können Elektronen in das Leitungsband aufsteigen. Deshalb leiten Halbleiter im Vergleich zu Metallen bei höheren Temperaturen besser. Beim Aufsteigen eines Elektrons bleibt ein Loch in der Bindung zurück. Dieses Defektelektron verhält sich ähnlich wie ein positiv geladenes Elektron und trägt ebenfalls zur Leitfähigkeit bei.

Durch Dotierung werden Fremdatome in einen Halbleiter eingebracht. Eine n-Dotierung liefert zusätzliche Elektronen, zum Beispiel durch Stickstoff in einem Siliciumkristall. Eine p-Dotierung bringt zusätzliche Löcher ein, etwa durch Bor in einem Siliciumkristall. Als Modelle zur Beschreibung elektrischer Leiter werden unter anderem Drude-Theorie, Sommerfeld-Theorie und Bloch-Theorie genannt.

Supraleitung

Bei manchen Materialien kann der spezifische Widerstand bei sehr niedrigen Temperaturen auf null springen. Diesen Zustand nennt man Supraleitung. Unterhalb einer materialspezifischen Grenztemperatur verschwindet der Widerstand des supraleitenden Materials; der Effekt lässt sich quantenmechanisch erklären.

Die benötigte Grenztemperatur hängt von der Legierung ab. Während die ersten untersuchten Supraleiter Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt benötigten, sind auch Hochtemperatur-Supraleiter bekannt. Dennoch liegen deren Temperaturen weiterhin sehr niedrig, unter −130 °C.

Anwendungen der Supraleitung sind hochempfindliche Sensoren für elektromagnetische Felder, die Verringerung von Widerstandsverlusten in elektrischen Anlagen und der verlustfreie Transport von Elektrizität.

Wärmeleitung

Wärmeleitung ist einer von drei Mechanismen zum Transport thermischer Energie; die beiden anderen sind Strahlung und Konvektion, also Strömung.

In Festkörpern wird Wärme durch die Ausbreitung von Gitterschwingungen übertragen. Leitungselektronen ermöglichen eine besonders gute Ausbreitung dieser Schwingungen. Deshalb sind elektrische Leiter, insbesondere Metalle, meist auch gute Wärmeleiter. Dieser Zusammenhang wird durch das Wiedemann-Franzsche Gesetz beschrieben. Zur Erklärung dienen Modelle eines freien oder quasifreien Elektronengases, wie die Drude- und die Sommerfeld-Theorie. Da sich dabei Elektronen bewegen, kann außerdem ein Stromfluss entstehen; dieser Zusammenhang heißt Seebeck-Effekt.

In elektrischen Isolatoren wird Wärme im Wesentlichen durch Gitterschwingungen, sogenannte Phononen, übertragen. Ihre Wärmeleitfähigkeit hängt daher von der Schallgeschwindigkeit ab. In Halbleitern treten sowohl der Transport durch Elektronen als auch der durch Gitterschwingungen auf.

Metalle sind gute Wärmeleiter. Holz, Kunststoffe und Salze sind schlechte Wärmeleiter. Wasser ist entgegen einer verbreiteten Annahme ebenfalls ein schlechter Wärmeleiter; sein Wärmetransport erfolgt im Wesentlichen durch Konvektion. Ein weiteres Beschreibungsmodell ist das Einstein-Modell des Festkörpers.

Elektromagnetische und magnetische Leiter

Elektromagnetische Wellenleiter transportieren hochfrequente elektromagnetische Wellen oder Licht. Ein bekanntes Beispiel für Hochfrequenzwellen ist das Koaxialkabel. Mikrowellenleiter nutzen aus, dass elektromagnetische Wellen Ströme induzieren. Sie bestehen meist aus einem runden oder rechteckigen Metallrohr, dessen Durchmesser etwas größer als die halbe Wellenlänge der zu transportierenden Welle ist.

Ein Hohlleiter ist ein runder oder rechteckiger Metallrohr-Wellenleiter, der elektromagnetische Wellen vorwiegend im Zentimeter-Wellenbereich von 3 bis 30 GHz mit sehr geringen Verlusten überträgt.

Optische Wellenleiter gibt es in eindimensionaler und zweidimensionaler Bauform. Eindimensionale Leiter sind beispielsweise Glasfasern. In konventionellen Glasfasern wird Licht durch Totalreflexion geführt; bei einigen modernen Varianten übernehmen photonische Kristalle diese Aufgabe. Zweidimensionale Leiter sind beispielsweise planare Wellenleiter, die unter anderem in Halbleiterlasern eingesetzt werden.

Ein magnetischer Leiter wird durch seine magnetische Permeabilität μ beschrieben. Sie ist ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für magnetische Felder und das Verhältnis der magnetischen Flussdichte B zur magnetischen Feldstärke H:

μ = |B| / |H|

Die magnetische Feldkonstante μ₀ beschreibt die magnetische Leitfähigkeit des Vakuums. Die relative Permeabilität beziehungsweise Permeabilitätszahl μᵣ ist definiert als:

μᵣ = μ / μ₀

Für das Vakuum gilt μᵣ = 1. Außerdem besteht der Zusammenhang μᵣ = 1 + χ mit der magnetischen Suszeptibilität χ. Supraleiter erster Art sind ideal diamagnetisch und haben μᵣ = 0. Blei, Zinn und Kupfer sind diamagnetisch mit μᵣ < 1; Luft, Aluminium und Platin sind paramagnetisch mit μᵣ > 1. Kobalt besitzt etwa μᵣ = 80…200, Eisen 300…10.000, Ferrite 4…15.000 und geglühtes Mumetall (NiFe) 50.000…140.000. Diese Stoffe sind ferromagnetisch. Die völlige Undurchlässigkeit von Supraleitern für Magnetfelder heißt Meißner-Ochsenfeld-Effekt.