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Lexikon Physik

Elektrische Leitung

Der Transport von elektrischen Ladungen durch ein Medium. In der Technik nennt man dieses Medium einen (elektrischen) Leiter oder auch – etwas missverständlich – eine elektrische Leitung. Das Medium kann dabei fest (z. B. ein Metalldraht, s. u.), flüssig (ein Elektrolyt) oder gasförmig (Gasentladung) sein.

Ein Material, das keine oder nur verschwindend geringe Ladungsmengen transportieren kann, heißt Isolator. Leitendes oder nicht leitendes Verhalten wird durch den elektrischen Widerstand R bzw. den spezifischen Widerstand \(\rho\) oder deren Kehrwerte, Leitwert (G) und elektrische Leitfähigkeit (\(\sigma\)), beschrieben (Ohm’sches Gesetz).

Die Zahlenwerte von spezifischem Widerstand (bzw. elektrischer Leitfähigkeit) bei elektrischen Leitern und Isolatoren unterscheiden sich um viele Größenordnungen: Während z. B. Kupfer \(\rho = 1,72 \cdot 10^{-8}\,\Omega\text m\) hat, gilt für Porzellan \(\rho \approx 10^{12}\,\Omega\text m\). Bei Halbleitern liegen die Werte dazwischen.

In den unterschiedlichen Medien treten z. T. sehr verschiedene Leitungsmechanismen auf, die getrennt betrachtet werden müssen:

  • Bei der metallischen Leitung sind freie (delokalisierte) Elektronen die Ladungsträger. Mit der Elektronendichte ne, der Elementarladung e und der sog. Beweglichkeit \(\mu = v_\text e/E\) der Elektronen (\(v_\text e\): Elektronengeschwindigkeit, E: elektrische Feldstärke) gilt der Zusammenhang
    \(\rho = \dfrac 1 {n_\text e v_\text e \mu}\) 
  • In Halbleitern wirken sowohl Elektronen als auch Elektronenfehlstellen (Löcher) als Ladungsträger, allerdings nur, wenn ihnen eine Anregungsenergie zugeführt wird, die größenordnungsmäßig gleich ihrer thermischen Energie ist.
  • Flüssigkeiten leiten den Strom, wenn in ihnen Ionen gelöst sind, sonst sind sie Isolatoren.
  • Gase sind ebenfalls Isolatoren, die Gasatome können aber z. B. durch Stöße ionisiert werden, dann leiten sowohl die geladenen Atomrümpfe als auch die freigesetzte Elektronen.
  • Ionenleitung kann auch in bestimmten Festkörpern auftreten, die man dann Festelektrolyte nennt. Sie spielen z. B. bei Akkumulatoren und Brennstoffzellen eine wichtige Rolle.

Bei sehr tiefen Temperaturen wird aufgrund von Quanteneffekten in vielen Metallen und einigen Keramiken die elektrische Leitung  praktisch verlustfrei (Supraleitung).

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