Elektrische Leitfähigkeit: von Isolatoren bis zu Supraleitern

Was bedeutet elektrische Leitfähigkeit?

Die elektrische Leitfähigkeit wird auch als Konduktivität bezeichnet. Sie ist eine Grösse innerhalb der Physik und beschreibt, wie gut ein bestimmtes Material oder Element in der Lage ist, elektrischen Strom weiterzugeben. Ihr Formelzeichen ist das griechische Symbol für Sigma. Gelegentlich wird jedoch auch das Zeichen für Gamma aus dem griechischen Alphabet verwendet. Der Wert der elektrischen Leitfähigkeit wird nach Internationalem Einheitssystem in Sigma pro Sekunde angegeben.

Welche Eigenschaften ermöglichen es Stoffen, Strom weiterzuleiten?

Damit Strom durch einen Stoff fliessen kann, müssen geeignete Ladungsträger vorhanden sein. Dafür kommen zum Beispiel Elektronen oder auch Ionen in Frage. Diese müssen sich ausserdem frei bewegen können und locker gebunden sein. Denn erst ihre Beweglichkeit ermöglicht den Stromfluss und die Weiterleitung von Energie.

Welche Rolle spielt die Temperatur bei der elektrischen Leitfähigkeit von Stoffen?

Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials ist temperaturabhängig. Wie sich die Temperatur auf die Leitfähigkeit des jeweiligen Materials auswirkt, hängt stark vom Aufbau und dem zugrunde liegenden Mechanismus der Ladungsübertragung ab. Bei Leitern der ersten Ordnung, also bei Metallen, die Strom über Elektronen weiterleiten, sinkt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. Entgegengesetzt verhält es sich bei Elektrolytlösungen und Ionenleitern. Durch den Temperaturanstieg wird deren elektrische Leitfähigkeit erhöht.

In welchem Zusammenhang stehen Leitwert, Widerstand und Leitfähigkeit zueinander?

In der Elektrotechnik gibt der elektrische Widerstand an, wie hoch die elektrische Spannung sein muss, damit eine bestimmte Stromstärke durch einen Leiter fliessen kann. Der elektrische Leitwert ist eine Eigenschaft eines Körpers und eine Kenngrösse und nicht gleichzusetzen mit der elektrischen Leitfähigkeit. Die Einheit, in der sie angegebenen wird, ist Siemens. Sie kann aus dem Kehrwert des ohmschen Widerstands eines Körpers bestimmt werden. Die Beziehung zwischen Leitwert, Widerstand und elektrischer Leitfähigkeit kann wie folgt wiedergegeben werden. Ein Material oder System hat eine besonders hohe Leitfähigkeit, wenn:

1. der Leitwert hoch ist
2. der Widerstand gleichzeitig möglichst niedrig ist

Wie werden die verschiedenen Leiter eingeteilt?

Je nach Stärke und Möglichkeiten der elektrischen Leitfähigkeit werden Stoffe in verschiedene Gruppen unterteilt. Man unterscheidet zwischen:

• Isolatoren: Hierbei handelt es sich um Stoffe, die keinen nennenswerten Strom weiterleiten können. Häufig sind das organische Verbindungen oder Kohlenwasserstoffe. Eine Vielzahl von Nichtmetallen gehört ebenfalls zu dieser Kategorie.
• Leiter: In diese Gruppe gehören die meisten Metalle. In der Regel wird die elektrische Leitfähigkeit bei Temperaturen zwischen 20 und 25 Grad Celsius angegeben. Besonders hoch ist die Leitfähigkeit bei den Metallen Silber, Kupfer und Gold. Den niedrigsten Wert unter den Metallen erzielt Mangan.
• Halbleiter: Ihre Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und Nichtleitern. Beispiele für Halbleiter sind Germanium oder Silizium. Wie gut sie Strom leiten können, hängt nicht nur von der Temperatur und dem umgebenden Druck ab, sondern auch vom Reinheitsgrad ihrer Zusammensetzung. Inzwischen ist es jedoch durch moderne Verfahren wie der Dotierung möglich, die Leitfähigkeit von Halbleitern zu erhöhen.
• Supraleiter: Bestimmte Metalle, Legierungen und Keramiken können, sobald eine kritische Temperatur erreicht ist, eine nahezu unendliche Leitfähigkeit erreichen. Diese sogenannte Sprungtemperatur ist bei jedem Supraleiter anders. So liegt die Sprungtemperatur von Aluminium bei etwa -271 Grad Celsius. Da die Aufrechterhaltung solcher Temperaturen schwierig ist, kommen Supraleiter im Alltag nicht zum Einsatz. Sie werden genutzt, um starke Magnetfelder zu erzeugen. Diese werden für den Betrieb von Teilchenbeschleunigern oder in der Magnetresonanztomographie benötigt.
• Ionenleiter: Diese sind streng genommen Leiter zweiter Ordnung. In diesem Fall wird der Strom, anders als bei Leitern der ersten Ordnung, über Ionen weitergeleitet. Wenn der Ionenleiter aus einer Elektrolytlösung besteht, dann spricht man nicht mehr von der elektrischen, sondern von der elektrolytischen Leitfähigkeit.

Warum sind Metalle besonders leitfähig?

Die besondere Leitfähigkeit von Metallen geht auf ihre chemische Struktur zurück. Sie besitzen in der Regel ein bis drei Valenzelektronen, auch als Aussenelektronen bezeichnet. Das heisst, dass sie sich auf dem äusseren Orbital des Atoms befinden. Das ermöglicht es den Atomen, Metallbindungen mit benachbarten Atomen einzugehen. Bei Ionen ist so etwas jedoch nicht möglich. Da bei Metallen die Atomkerne nur eine schwache Anziehungskraft auf ihre Aussenelektronen ausüben, werden diese leichter abgegeben und sind beinahe frei beweglich. Durch den Verlust des Elektrons entsteht dabei ein Metall-Ion mit positiver Ladung. Die Beweglichkeit der Elektronen und die kurzzeitige Ladungsänderung ist der Hauptgrund für die gute Leitfähigkeit von Metallen.

Wie misst man die elektrische Leitfähigkeit?

Die elektrische Leitfähigkeit kann nur indirekt gemessen werden. Eine bewährte Methode ist die Konduktometrie. Hierzu lässt man elektrischen Strom mit einer bekannten Grösse durch das Material oder das System fliessen, das getestet werden soll. Ermittelt wird dabei jedoch der spezifische Widerstand. Aus dem Kehrwert des Widerstands errechnet man dann die elektrische Leitfähigkeit. In Flüssigkeiten erfolgt die Messung mithilfe von speziellen Leitfähigkeitsmessgeräten oder Leitfähigkeitssensoren.