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Nichtleiter
Nichtleiter sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit mit weniger als 10 −8 S·cm −1 bzw. einem spezifischen Widerstand von über 10 8 Ω·cm …
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Definition und Einteilung
Nichtleiter sind Stoffe mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit. Sie leiten weniger als 10^{−8} S·cm^{−1}; ihr spezifischer Widerstand liegt über 10^{8} Ω·cm. Ihre Leitfähigkeit ist damit geringer als die von Halbleitern und meist technisch nicht relevant. In der Physik kann der Begriff für beliebige Materialien, Gase und auch das Vakuum verwendet werden. In der Technik sind meist feste Stoffe gemeint.
Je nach Verwendung gibt es verwandte Bezeichnungen: Ein Isolator kann sowohl die Materialeigenschaft als auch ein nichtleitendes Bauteil zur Befestigung elektrischer Bauteile bezeichnen. Als Isolierstoff bezeichnet man einen Nichtleiter, der zur Isolation elektrischer Leiter, etwa in Kabeln, eingesetzt wird. Bestimmt ein solcher Stoff die elektrischen Eigenschaften eines Bauteils, beispielsweise eines Kondensators oder Koaxialkabels, wird er Dielektrikum genannt.
Zu den Nichtleitern gehören die meisten Nichtmetalle, Kohlenwasserstoffe und viele andere organische Verbindungen.
Ideale Nichtleiter würden überhaupt keinen Strom leiten. Sie hätten einen unendlich hohen Widerstand, keine freien beweglichen Ladungsträger und eine Leitfähigkeit von null. Solche idealen Nichtleiter gibt es nicht, weil auch das vollkommene Vakuum in der Natur nicht vorkommt. In einzelnen Experimenten konnten ihre Eigenschaften jedoch annähernd erreicht werden, etwa beim Supraisolator- beziehungsweise Superisolator-Effekt.
Reale Nichtleiter besitzen dagegen immer eine schwache, von der Temperatur abhängige Leitfähigkeit und damit einen endlichen spezifischen Widerstand. Im Alltag kann diese Leitfähigkeit häufig vernachlässigt werden, sodass reale Nichtleiter wie ideale behandelt werden.
Physikalische Eigenschaften
Eine allgemeingültige Beschreibung der physikalischen Eigenschaften aller Nichtleiter ist wegen der großen Vielfalt der Materialien nicht möglich. Entscheidend ist jedoch, dass in ihnen nur sehr wenige freie elektrische Ladungsträger vorhanden sind. Bei diesen Ladungsträgern handelt es sich um Elektronen und/oder Ionen. Die meisten Elektronen sind an Atome gebunden beziehungsweise die Ionen im Kristallgitter festgelegt und daher nicht ausreichend beweglich. Nur wenige frei bewegliche Teilchen können Ableitungsströme bilden.
Die Zahl der freien Ladungsträger steigt mit der Temperatur und mit der angelegten Spannung beziehungsweise der Feldstärke. Deshalb kann jeder Nichtleiter bei ausreichender Energie elektrische Ströme leiten. Das kann durch sehr hohe Temperaturen oder durch eine genügend hohe Spannung geschehen. Der Stoff wird dann zu einem elektrischen Leiter, häufig jedoch nur vorübergehend. Besonders feste Stoffe werden durch die starke thermische oder elektrische Belastung oft irreversibel zerstört.
Diamant wird beispielsweise bei Rotglut zum Leiter, wenn keine sehr hohe Spannung angelegt wird. Glas kann ebenfalls leitfähig werden, schmilzt dabei jedoch.
Erklärung durch das Energiebändermodell
Bei einem nichtleitenden Festkörper wie Diamant lässt sich der Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern mit dem Energiebändermodell erklären. Betrachtet man den absoluten Nullpunkt und vernachlässigt thermische Effekte, ist das Valenzband eines Nichtleiters vollständig besetzt. Das Valenzband enthält die gebundenen Elektronen. Zwischen ihm und dem Leitungsband liegt eine große verbotene Zone, also eine Energielücke. Für Nichtleiter gilt E_{G}>3 eV.
Wegen dieser großen Energielücke können Elektronen bei Raumtemperatur oder unter Normalbedingungen kaum durch thermische Anregung in das Leitungsband wechseln. Dort könnten sie sich frei bewegen und zum Ladungstransport beitragen. Die geringe Leitfähigkeit von Nichtleitern beruht daher vor allem auf Ionen.
Selbst bei stark erhöhten Temperaturen ist ein Übergang vieler Elektronen in das Leitungsband vergleichsweise selten. Häufig treten vorher Ionisationsprozesse auf, Verunreinigungen verursachen Verlusteffekte oder das Material wird durch die thermische Belastung zerstört.
Halbleiter besitzen ebenfalls eine verbotene Zone, aber ihre Energielücke ist kleiner. Deshalb können bei geringen Temperaturen viele Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angeregt werden, ohne dass der Halbleiter beschädigt wird. Der ungefähre Grenzbereich zwischen Halbleitern und Nichtleitern liegt bei einer Energielücke von drei Elektronenvolt: Unterhalb dieses Werts spricht man von Halbleitern, oberhalb von Nichtleitern.
Typische Beispiele und Sonderfälle
Ein bekannter Nichtleiter ist reiner Kohlenstoff in der Modifikation Diamant. Weitere Beispiele sind Bernstein, verschiedene Kunststoffe, Keramikwerkstoffe, Glas und Silikone. Kunststoffe werden unter anderem zur Isolation von Kabeln und für Gehäuse verwendet.
Auch nichtionisierte, trockene Gase wie Argon, Sauerstoff und normale trockene Luft sind Nichtleiter. Wasser beeinflusst die Leitfähigkeit vieler natürlicher Stoffe und Stoffgemische stark. Holz beispielsweise kann durch vorhandenes Wasser leitfähig werden, obwohl es den elektrischen Strom ohne diesen Einfluss nicht bedeutend leitet.
Destilliertes oder deionisiertes Wasser gilt als Isolator, ist aber nur ein schlechter Isolator, weil einige Wassermoleküle dissoziiert sind und dadurch Ionen als Ladungsträger zur Verfügung stehen. In normalem Leitungswasser und in Wasser von Seen kommen zusätzlich gelöste Salze mit Metall- und Nichtmetallionen hinzu. Sie erhöhen die Leitfähigkeit stark und machen das Wasser zu einem Leiter.
Feste Salze sind trotz ihres Aufbaus aus Ionen meist Nichtleiter. Die Bindungskräfte zwischen den Ionen verhindern, dass sich genügend Ionen frei bewegen. Beim Schmelzen lösen sich die Ionen stärker aus ihrer festen Nachbarschaft. Salzschmelzen können den elektrischen Strom daher durch Ionenleitung gut transportieren.
