Elektrischer Widerstand und Leitfähigkeit
Einführung
Der elektrische Widerstand und die Leitfähigkeit sind grundlegende Eigenschaften, die bestimmen, wie Materialien auf elektrische Ströme reagieren. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Gestaltung elektrischer Systeme, die Auswahl von Materialien für bestimmte Anwendungen und die Verbesserung der Energieeffizienz in verschiedenen Technologien.
Faktoren, die den spezifischen elektrischen Widerstand und die Leitfähigkeit beeinflussen
Mehrere Faktoren beeinflussen den elektrischen Widerstand und die Leitfähigkeit von Materialien:
Temperatur
Mit steigender Temperatur nimmt auch der Widerstand der meisten Leiter zu, da die Gitterschwingungen zunehmen, die den Elektronenfluss behindern. Umgekehrt nimmt der Widerstand von Halbleitern in der Regel mit steigender Temperatur ab.
Materialzusammensetzung
Verschiedene Materialien haben einen spezifischen spezifischen Widerstand. Metallehaben in der Regel einen niedrigen spezifischen Widerstand, der sie zu hervorragenden Leitern macht, während Nichtmetalle und Isolatoren einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen.
Verunreinigungen und Defekte
Das Vorhandensein von Verunreinigungen und strukturellen Defekten in einem Material kann den Elektronenfluss stören und den spezifischen Widerstand erhöhen. Hochreine Materialien weisen in der Regel einen geringeren Widerstand auf.
Physikalische Dimensionen
Der spezifische Widerstand eines Materials ist unabhängig von seiner Form und Größe. Der Gesamtwiderstand eines Materials hängt jedoch von seiner Länge und seiner Querschnittsfläche ab.
Elektrische Leitfähigkeit von Metallen
Metalle sind für ihre hohe elektrische Leitfähigkeit bekannt, die auf das Vorhandensein freier Elektronen zurückzuführen ist, die die Bewegung elektrischer Ladung erleichtern. Die Leitfähigkeit von Metallen kann durch Legierungs- und Verarbeitungstechniken so angepasst werden, dass sie spezifischen elektrischen Anforderungen gerecht wird.
Tabelle des elektrischen Widerstands und der Leitfähigkeit
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über den spezifischen elektrischen Widerstand und dieLeitfähigkeit gängiger Materialien. Der Widerstand wird in der Regel in Ohm-Metern (Ω-m) gemessen, die Leitfähigkeit in Siemens pro Meter (S/m).
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Werkstoff |
spezifischer Widerstand (Ω-m) |
Leitfähigkeit (S/m) |
|
Silber |
1.59 × 10-⁸ |
6.30 × 10⁷ |
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Kupfer |
1.68 × 10-⁸ |
5.96 × 10⁷ |
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Gold |
2.44 × 10-⁸ |
4.10 × 10⁷ |
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2.82 × 10-⁸ |
3.55 × 10⁷ |
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Eisen |
9.71 × 10-⁸ |
1.03 × 10⁷ |
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Nickel |
6.99 × 10-⁸ |
1.43 × 10⁷ |
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5.60 × 10-⁷ |
1.79 × 10⁶ |
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Blei |
2.20 × 10-⁷ |
4.55 × 10⁶ |
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1.06 × 10-⁷ |
9.43 × 10⁶ |
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Kohlenstoff (Graphit) |
3.5 × 10-⁵ |
2.86 × 10⁴ |
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6.40 × 10³ |
1.56 × 10-⁴ |
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Gummi |
10¹⁴- 10¹⁶ |
10-¹⁶ - 10-¹⁴ |
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Glas |
10¹³ - 10¹⁶ |
10-¹³ - 10-¹⁶ |
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Holz (trocken) |
10-¹ - 10¹² |
10¹⁰- 10-⁹ |
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Wasser (destilliert) |
18.2 × 10³ |
5.49 × 10-⁵ |
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Beton |
10¹⁴- 10¹⁶ |
10-¹⁶ - 10-¹⁴ |
Anmerkungen:
- Metalle(wie Silber, Kupfer und Aluminium) haben einen niedrigen spezifischen Widerstand, d. h. sie sind ausgezeichnete Leiter.
- Halbleiterwie Siliziumhaben einen mäßigen spezifischen Widerstand und werden in elektronischen Geräten verwendet.
- Isolierende Materialien wie Gummi, Glas und Holzhaben einen sehr hohen spezifischen Widerstand und eine schlechte Leitfähigkeit.
- Wasserin seiner reinen Form (destilliert) hat einen relativ hohen spezifischen Widerstand, aber Verunreinigungen (wie Salze) erhöhen seine Leitfähigkeit erheblich.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen elektrischem Widerstand und Leitfähigkeit?
Der elektrische Widerstand misst, wie stark ein Material dem Fluss von elektrischem Strom entgegenwirkt, während die Leitfähigkeit angibt, wie leicht elektrischer Strom durch ein Material fließen kann.
Wie wirkt sich die Temperatur auf die elektrische Leitfähigkeit von Metallen aus?
Bei Metallen nimmt die elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur in der Regel ab, da die Elektronen durch die erhöhten Gitterschwingungen effektiver gestreut werden.
Warum sind Metalle besser leitend als Nichtmetalle?
Metalle haben freie Elektronen, die sich leicht durch die Gitterstruktur bewegen und so den elektrischen Stromfluss erleichtern, während Nichtmetallen diese freien Ladungsträger fehlen.
Können Verunreinigungen die Leitfähigkeit eines Metalls verbessern?
Im Allgemeinen erhöhen Verunreinigungen den spezifischen Widerstand eines Metalls, indem sie die regelmäßige Gitterstruktur stören und so den Elektronen den Fluss erschweren.
Für welche Anwendungen werden Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit benötigt?
Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind für elektrische Leitungen, die Stromübertragung, elektronische Geräte und Komponenten wie Steckverbinder und Schalter unerlässlich.
