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Leiter (Physik)


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Als Leiter (m.) bezeichnet man Stoffe die verschiedene Arten von Energie oder Teilchen weiterleiten können.

Es gibt Leiter für Strom Wärme Licht und Magnetismus . Wenn ein Stoff nicht leitet nennt ihn Isolator .

Inhaltsverzeichnis

Elektrischer Leiter

Elektrische Leitung ist im wesentlichen der geladener Teilchen.

Leiter 1. Klasse

Metalle sind Leiter 1. Klasse. Die Leitfähigkeit Metallen beruht auf der Anzahl der Elektronen ihrer Außenschale. Metalle bilden eine Bindung in die Elektronen nur schwach gebunden sind. Die Elektronen sind mehr oder weniger frei beweglich. haben die Eigenschaft des spezifischen Widerstands einem Maß für die Leitfähigkeit . Die besten elektrischen Leiter sind Gold und Silber . Als günstigere Alternative wird aber das gut leitende Kupfer verwendet. Die Leitfähigkeit hängt auch von Temperatur ab. Ihre Leitfähigkeit bleibt innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen konstant. Der Widerstand der meisten Leiter vergrößert sich bei

quantenmechanisch betrachtet

Wenn man Metalle quantenmechanisch (Blochwellenfunktion Fermistatistik) ergibt sich dass die Elektronen nicht jede Energie annehmen können sondern in bestimmten Energiebändern sein können - die dieser Bänder hängt vom Kristallgitter des Materials ab.
Die Fermienergie (ist in etwa die der energiereichsten Elektronen) ermöglicht eine Unterscheidung:
  • Wenn sie im untersten erlaubten Band (entspricht dem gebundenen Zustand) nennt das Material einen Isolator .
  • Wenn sie in einem erlaubten Band ( Leitungsband ) liegt spricht man von einem Leiter .
  • Liegt die Kante zwischen den erlaubten Bändern ist es ein Halbleiter .

Halbleiter sind einen Sonderform in reinen Zustand ihre Kristallgitter stabile Elektronenbindungen aufbauen. Die Elektronen können höherer Temperatur in ein Leitungsband aufsteigen daher leiten Halbleiter im gegensatz zu Metallen bei höheren Temperaturen besser.
Ein interessanter Effekt bei Halbleitern ist die Löcherleitung (auch Fehlstellenleitung). Das das Leitungsband aufgestiegene Elektron hinterlässt ein Loch in der Bindung. Dieses Loch verhält wie ein Elektron mit positiver Ladung und auch zur Leitfähigkeit bei.
In Halbleiter können auch noch Fremdatome werden. Man spricht dann von Dotierung . Die Fremdatome dienen entweder dazu zusätzliche einzubringen - man spricht dann von n-Dotierung (zB N in Si-Kristall) oder enthalten Elektronen um Löcher einzubringen was p-Dotierung genannt wird(zB B in Si-Kristall).

Modelle: :Drude-Theorie Sommerfeld-Theorie Bloch-Theorie

Leiter 2. Klasse

So genannte Ionen -Leiter sind Leiter 2. Klasse. Als Beispiel solche Leiter seien hier Salzlösungen genannt. Die entsteht durch Dissoziation (Aufspaltung) der Bindung in Die beiden Ionen trennen sich im Wasser werden frei beweglich. Damit sind freie Ladungsträger Voraussetzung für die Stromleitung vorhanden. Die Leitfähigkeit Leiters kann sich im Laufe eines Versuchs wenn Teile der Ladungsträger andere chemische Bildungen Dann kann man davon reden dass der "verbraucht" wird.

Wärmeleiter

Die Wärmeleitung ist einer von drei in denen thermische Energie transportiert werden kann. (Die beiden anderen sind Strahlung und Konvektion ( Strömung ).)

In Festkörpern erfolgt der Wärmetransport durch von Anregungen. Eine gute Ausbreitungsmöglichkeit für Anregungen Leitungselektronen daher sind elektrische Leiter insbesondere Metalle gute Wärmeleiter. Die Behandlung dieses Phänomens erfolgt der Regel zweckmäßigerweise im Modell eines freien quasifreien Elektronengases (also von Elektronen die sich guter Näherung annähernd frei im Festkörper bewegen vergleichbar der Beweglichkeit eines Gases. (Drude-Theorie Sommerfeld-Theorie). bei dieser Leitung die Elektronen bewegt werden auch ein Stromfluss ( Seebeck-Effekt ).

In elektrischen Isolatoren wird die Wärme wesentlichen durch Gitterschwingungen ( Phononen ) übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit hängt daher von Schallgeschwindigkeit ab.

In Halbleitern treten beide Effekte auf.

Gute Wärmeleiter sind: Metalle Gute thermische Isolatorern sind: Holz Kunststoffe Salze

Entgegen allgemeiner Annahme ist Wasser ein Wärmeleiter. Wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport liefert hier Gegensatz zu Festkörpern die Konvektion.

Weitere Modelle: Einsteinmodell des Festkörpers

optische Leiter

Dienen dazu Licht zu leiten. Man aus dass Licht wenn es unter einem Winkel auf eine Oberfläche trifft totalreflektiert wird. Meist verwendet man dazu Glasfasern .

Wellenleiter

Leiten elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen die größer sind als die von Licht und nicht durch optische Reflexion geleitet werden können. Werden meist für Mikrowellen verwendet.

Der Wellenleiter nützt aus dass die Ströme induzieren. Sie sind im wesentlichen ein Rohr (rund oder auch rechteckig) dessen Durchmesser grösser ist als die Wellenlänge der zu Welle.

Ein bekannter Wellenleiter ist das Koaxkabel.



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