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Stoffe, die Strom leiten, werden als Leiter bezeichnet: Eisen, Kupfer, Gold, Grafit, Platin, Aluminium sind solche. Das Gegenbeispiel stellen Nichtleiter wie Kunststoff, Glas oder Porzellan dar. Diese leiten Strom nicht. Außerdem gibt es noch Halbleiter. Weitere interessante Themen und Energietipps finden Sie in der Rubrik wissenswerte Fakten.
Wer sich mit der Frage “Was leitet Strom?” beschäftigt, der kann den Begriff “elektrische Leitfähigkeit” keineswegs umgehen. Die elektrische Leitfähigkeit gibt an, inwiefern ein Stoff elektrischen Strom leiten kann. Diese physikalische Größe trägt die Einheit Siemens pro Meter (S/m). Statt also eine Testschaltung durchzuführen, kann man auch ganz einfach die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes nachschauen.
Stoffe, die elektrischen Strom leiten, also Leiter sind, haben typischerweise einen Wert von über 10⁶ S/m bei Temperaturen von 25 °C. Generell gelten Metalle als besonders gute Leiter. Dabei gilt, dass besonders reine Metalle besser elektrischen Strom leiten als Legierungen.
Die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen entsteht dadurch, dass diese über bewegliche Ladungsträger verfügen. Bewegliche Ladungsträger sind beispielsweise in Metallen locker gebundene Elektronen. Wird ein Metall an den Stromkreis angeschlossen, so zieht der Plus-Pol die Elektronen zu sich. Gleichzeitig rücken aus dem Minus-Pol neue bewegliche Elektronen mit Energie an. Stoffe, die über frei bewegliche Elektronen verfügen, können Strom leiten.
Die beweglichen freien Ladungsträger, also die elektrische Leitfähigkeit, ist von der Temperatur abhängig. Daher wird auch bei der Angabe von der Leitfähigkeit die Temperatur von 25 °C angegeben.
Stoffe, die leiten, haben bewegliche Ladungsträger. Mit steigender Temperatur nimmt die Beweglichkeit der Elektronen allerdings ab, denn Atome fangen an, mehr zu schwingen. Demnach sinkt auch die Leitfähigkeit von Stoffen bei höheren Temperaturen.
Mit der Frage “Was leitet Strom?” will man die Antwort erhalten, welche Körper den elektrischen Strom leiten können. Mit dieser Frage beschäftigen sich bereits Kinder der jüngeren Jahrgangsstufen in den Schulen.
Mit einem einfachen Versuch, der als Testschaltung bezeichnet wird, kann man prüfen, ob ein Material Strom leitet oder nicht. Dafür wird ein Stromkreis aufgebaut und an eine Batterie oder Netzgerät angeschlossen. Zusätzlich sind eine Glühbirne und zwei Klemmen in diesem Stromkreis integriert.
Sobald das Testmaterial eingeklemmt ist, wird der Stromkreis mit einem Schalter geschlossen und die Glühbirne, die als Stromindikator dient, leuchtet je nachdem auf. Bei aufleuchtender Glühbirne weiß man, dass das zu testende Material elektrische Leitfähigkeit besitzt. Dieses Material wird sodann als Stromleitend bezeichnet. Bleibt die Glühbirne dunkel, so fließt kein Strom durch das Material. Das Material trägt die Bezeichnung Nichtleiter bzw. Isolator.
Bezeichnung des Stoffes | Elektrische Leitfähigkeit gegeben? | Elektrische Leitfähigkeit in S/m |
---|---|---|
Eisen | ✔️ | 9,93 · 106 S/m |
Kupfer | ✔️ | 58 · 106 S/m |
Graphit | ✔️ | - |
Gold | ✔️ | 45,2 · 106 S/m |
Platin | ✔️ | 9,66 · 106 S/m |
Aluminium | ✔️ | 37,7 · 106 S/m |
Messing | ✔️ | 15,5 · 106 S/m |
Chrom | ✔️ | 7,74 · 106 S/m |
Silber | ✔️ | 62 · 106 S/m |
Zink | ✔️ | 16,9 · 106 S/m |
Blei | ✔️ | 4,84 · 106 S/m |
Säuren | ✔️ | - |
Plasma | ✔️ | - |
Metalle leiten Strom Fast alle Metalle sind gute elektrische Leiter. Aluminium, Silber, Kupfer, Gold und Blei haben dabei eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit. In der Herstellung von Kabeln und Verbindungsleitern setzt man vor allem auf Kupfer und Aluminium – nicht nur wegen ihrer guten Leitfähigkeit, sondern auch der Verfügbarkeit und guter Verarbeitungsmöglichkeit.
Bei Festkörpern, z. B. Metallen, ist zu beobachten, dass diese einen engen Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit besitzen. Feste Körper mit einer guten Leitfähigkeit sind auch gute Wärmeleiter.
Allgemein versteht man unter Wärmeleitung die Wärme, die durch einen Materialkörper hindurch von Bereichen höherer Temperaturen zu Bereichen niedriger Temperatur übertragen wird. Ebenso wie es gute und schlechte Stoffe gibt, die den elektrischen Strom leiten, so gibt es auch gute und schlechte Wärmeleiter.
Grob wird immer zwischen Stoffen, die elektrischen Strom leiten und Stoffen, die keinen elektrischen Strom leiten, unterschieden. Die sogenannten Halbleiter sollte man in diesem Zusammenhang ebenso nicht vernachlässigen.
Als Halbleiter bezeichnet man Stoffe, die Eigenschaften von Leitern und Nichtleitern besitzen. In Halbleitern liegen im Ausgangszustand keine freien Elektronen frei – wie dies der Fall bei Leitern ist. Halbleiter haben daher zunächst die Eigenschaften von Nichtleitern.
Die Eigenschaften von Halbleitern ändern sich, sobald sie Temperaturen, Licht oder elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Dabei lösen sich Außenelektronen von den Atomen, an die sie gebunden sind und dies führt dazu, dass Halbleiter zu Leitern werden.
Verwendung von Halbleitern Elektrische Halbleiter werden besonders in der Elektrotechnik geschätzt. Sie eignen sich bestens für die Herstellung von Computerchips, Displays oder Solarzellen. Einzig die Eigenschaft, dass Materialien wie Silizium oder Germanium spröde und leicht zerbrechlich sind, reduziert sie in der Verwendung von Bauelementen mit mechanischer Belastung.
Bezeichnung des Stoffes | Elektrische Leitfähigkeit in S/m | Anwendungsbeispiele |
---|---|---|
Silicium (Si) | 2,52 10-4 S/m | Diode, Dehnungsmessstreifen, Transistor, Solarzelle, |
Germanium (Ge) | 1,45 S/m | NTC-Widerstand, integrierter Schaltkreis, Diode |
Selen (Se) | 1,0 · 10−10 S/m | Nahrungsergänzung, Anti-Schuppen-Haarschampoos |
Bor (B) | 1,0 · 10−4 S/m | Hartstoffherstellung, Feuerwerksartikel |
Tellur (Te) | 0,005 S/m | Zusatz für Stahl, Verbindungshalbleiter |
Galliumarsenid (GaAs) | - | LED, Display, Laserdiode |
Indiumarsenid (InSb) | - | LED, Display, Hallgenerator, Feldplatte |
Cadmiumsulfid (CdS) | - | Fotoelement, Solarzelle, LDR, |
Nichtleiter stellen das Gegenbeispiel von Leitern dar. Stoffe, die keine elektrische Leitfähigkeit besitzen, werden entweder als Nichtleiter oder auch Isolatoren bezeichnet. Typische Nichtleiter sind Kunststoffe, Glas und Keramik.
Isolatoren verwendet man üblicherweise, um elektrische Leiter voneinander elektrisch zu isolieren. Ein idealer Nichtleiter leitet gar keinen elektrischen Strom und hat einen unendlich hohen Widerstand. Ideale Nichtleiter haben absolut keine freien elektrischen Ladungsträger. Die elektrische Leitfähigkeit von guten Isolatoren liegt unter 10−8 S/m.
Bezeichnung des Stoffes | Elektrische Leitfähigkeit gegeben? |
---|---|
Kunststoff | ❌ |
Glas | ❌ |
Porzellan | ❌ |
Papier | ❌ |
Reines Wasser (H2O) | ❌ |
Öle, Fette | ❌ |
Gummi | ❌ |
Gase (z. B. Argon, Sauerstoff) | ❌ |
Holz | ❌ |
Bernstein | ❌ |
Bereits in der Antike erforschte man die Elektrizität und studierte die elektrische Ladung, die durch das Reiben erzeugt wird. Erst in den frühen 1700er-Jahren begann man dem Strom “wie wir es heute kennen”, näherzukommen.
Dabei fand der Naturphilosoph Francis Hauksbee heraus, dass das Drehen einer Glaskugel Elektrizität erzeugt. Später entdeckten weitere Forscher, dass man Elektrizität über weite Strecken übertragen kann - dies alles führte immer näher zur Verwendung von Strom, den wir heute kennen.
Erst in den 1880er-Jahren wurden in Deutschland erste Laternen mit Strom betrieben. Dieser Schritt kennzeichnet den Anfang der Elektrifizierung in Deutschland und den Einzug von Strom in Haushalten. Weitere Jahre mussten vergehen, bis endlich in den 1920er-Jahren Privathaushalte im großen Stile Strom nutzen.
Mehr zu: Seit wann gibt es Strom?
Am besten kann Strom aus der Sicht der Elektrotechnik definiert werden. In der Elektrotechnik versteht man unter elektrischem Strom die Bewegung elektrischer Ladungen. Diese elektrische Ladung bewegen durch ein Vakuum oder Stoff (z. B. Kupferdrähte).
Es gibt dabei positive und negative Ladungen, die entweder Ionen oder Elektronen sein können. Wenn es also einen Stromfluss gibt, so haben die elektrischen Ladungsträger gerichtete Bewegungen. In der Elektrotechnik wird Strom mit “I” abgekürzt und die Einheit für Stromstärke mit “A”.
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