Die elektrische Leitfähigkeit in Metallen ist ein Ergebnis der Bewegung elektrisch geladener Teilchen.
Die Atome von Metallelementen sind durch das Vorhandensein von Valenzelektronen gekennzeichnet - Elektronen in der äußeren Hülle eines Atoms, die sich frei bewegen können. Es sind diese "freien Elektronen", die es Metallen ermöglichen, einen elektrischen Strom zu leiten.
Weil sich Valenzelektronen frei bewegen können, können sie durch das Gitter wandern, das die physikalische Struktur eines Metalls bildet.
Unter einem elektrischen Feld bewegen sich freie Elektronen durch das Metall, ähnlich wie Billardkugeln, die gegeneinander schlagen und eine elektrische Ladung durchlassen, während sie sich bewegen.
Der Energietransfer ist am stärksten, wenn wenig Widerstand vorhanden ist. Auf einem Billardtisch geschieht dies, wenn ein Ball gegen einen anderen einzelnen Ball schlägt und den größten Teil seiner Energie auf den nächsten Ball überträgt. Wenn ein einzelner Ball mehrere andere Bälle trifft, trägt jeder von ihnen nur einen Bruchteil der Energie.
Aus dem gleichen Grund sind die effektivsten Leiter von Elektrizität Metalle, die ein einzelnes Valenzelektron haben, das sich frei bewegen kann und eine starke abstoßende Reaktion in anderen Elektronen verursacht. Dies ist der Fall in den leitfähigsten Metallen wie Silber , Gold und Kupfer , die jeweils ein einzelnes Valenzelektron haben, das sich mit geringem Widerstand bewegt und eine starke abstoßende Reaktion verursacht.
Halbleitermetalle (oder Metalloide ) haben eine höhere Anzahl an Valenzelektronen (normalerweise vier oder mehr). Obwohl sie Elektrizität leiten können, sind sie bei der Aufgabe ineffizient.
Beim Erhitzen oder Dotieren mit anderen Elementen können Halbleiter wie Silizium und Germanium jedoch extrem effiziente Leiter von Elektrizität werden.
Die Leitfähigkeit in Metallen muss dem Ohmschen Gesetz folgen, das besagt, dass der Strom direkt proportional zu dem elektrischen Feld ist, das an das Metall angelegt wird. Die Schlüsselvariable bei der Anwendung des Ohmschen Gesetzes ist die Widerstandsfähigkeit eines Metalls.
Die Widerstandsfähigkeit ist das Gegenteil der elektrischen Leitfähigkeit und bewertet, wie stark ein Metall dem Stromfluss entgegenwirkt. Dies wird üblicherweise auf den gegenüberliegenden Seiten eines 1-Meter-Kubus des Materials gemessen und als Ohmmeter (Ω⋅m) beschrieben. Resistivität wird oft durch den griechischen Buchstaben Rho (ρ) dargestellt.
Die elektrische Leitfähigkeit wird dagegen üblicherweise durch Siemens pro Meter (S⋅m -1 ) gemessen und durch den griechischen Buchstaben Sigma (σ) dargestellt. Ein Siemens ist gleich dem Kehrwert von einem Ohm.
Leitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit in Metallen
Material | Widerstandsfähigkeit | Leitfähigkeit |
|---|---|---|
| Silber | 1.59x10 -8 | 6.30x10 7 |
| Kupfer | 1.68x10 -8 | 5.98x10 7 |
| Getempertes Kupfer | 1.72x10 -8 | 5.80x10 7 |
| Gold | 2.44x10 -8 | 4.52x10 7 |
| Aluminium | 2.82x10 -8 | 3.5x10 7 |
| Kalzium | 3.36x10 -8 | 2.82x10 7 |
| Beryllium | 4.00x10 -8 | 2.500x10 7 |
| Rhodium | 4.49x10 -8 | 2.23x10 7 |
| Magnesium | 4.66x10 -8 | 2.15x10 7 |
| Molybdän | 5.225x10 -8 | 1.914 x 10 7 |
| Iridium | 5.289x10 -8 | 1.891x10 7 |
| Wolfram | 5.49x10 -8 | 1.82x10 7 |
| Zink | 5.945x10 -8 | 1.682x10 7 |
| Kobalt | 6.25x10 -8 | 1.60x10 7 |
| Cadmium | 6.84x10 -8 | 1.46 7 |
| Nickel (elektrolytisch) | 6.84x10 -8 | 1.46x10 7 |
| Ruthenium | 7.595x10 -8 | 1.31x10 7 |
| Lithium | 8.54x10 -8 | 1.17x10 7 |
| Eisen | 9.58x10 -8 | 1.04x10 7 |
| Platin | 1,06 x 10 -7 | 9.44x10 6 |
| Palladium | 1,08 x 10 -7 | 9.28x10 6 |
| Zinn | 1.15x10 -7 | 8.7x10 6 |
| Selen | 1.197x10 -7 | 8.35x10 6 |
| Tantal | 1.24x10 -7 | 8.06x10 6 |
| Niob | 1.31x10 -7 | 7.66x10 6 |
| Stahl (gegossen) | 1.61x10 -7 | 6.21x10 6 |
| Chrom | 1.96x10 -7 | 5.10x10 6 |
| Führen | 2,05 x 10 -7 | 4,87 x 10 6 |
| Vanadium | 2.61x10 -7 | 3.83x10 6 |
| Uran | 2.87x10 -7 | 3.48x10 6 |
| Antimon * | 3.92x10 -7 | 2.55x10 6 |
| Zirkonium | 4.105x10 -7 | 2,44 x 10 6 |
| Titan | 5.56x10 -7 | 1.798x10 6 |
| Quecksilber | 9.58x10 -7 | 1.044x10 6 |
| Germanium * | 4,6x10 -1 | 2.17 |
| Silizium* | 6.40x10 2 | 1,56 × 10 -3 |
* Hinweis: Der spezifische Widerstand von Halbleitern (Metalloiden) hängt stark von der Anwesenheit von Verunreinigungen im Material ab.
Diagramm Quelldaten
Eddy Current Technologie Inc.
URL: http://eddy-current.com/conductivity-of-metal-sorted-by-resistivity/
Wikipedia: Elektrische Leitfähigkeit
URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_conductivity