Leitung

Schlüsselinformationen & Zusammenfassung

• Leitung ist die Übertragung von Energie von einem Atom zum anderen durch direkten Kontakt
• Es gibt drei Haupttypen der Leitung: Ionenleitung, elektrische Leitung und Wärmeleitung
• Feststoffe sind die effizientesten Leiter, wobei Gase die schlechtesten sind – dies ist die weil die Teilchen viel näher beieinander liegen

Was ist Leitung?

Leitung ist definiert als die Übertragung von Energie von einem Atom zum anderen durch direkten Kontakt – dies kann entweder durch Ionenleitung, elektrische Leitung oder Wärmeleitung erfolgen. Leitung kann in Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen auftreten – Feststoffe leiten am effizientesten, weil die Moleküle viel näher beieinander liegen als in anderen Zuständen, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Partikel in einem Feststoff befinden sich in einer relativ festen Position und die Bindungen zwischen ihnen sind sehr stark. Dies bedeutet, dass die Leitung von Energie von einem Teilchen zum anderen in dieser Form am effizientesten ist.

Die Partikel in einer Flüssigkeit haben keine feste Position und daher sind die Bindungen zwischen ihnen nicht so stark. Dies macht Flüssigkeiten zu schlechten Leitern.

Die Teilchen in einem Gas sind viel weiter voneinander entfernt, was bedeutet, dass die Übertragung von Energie sehr ineffizient ist. Sie sind daher sehr schlechte Leiter.

Ionenleitung

Ionenleitung ist definiert als die Bewegung eines Ions von einem Ort zum anderen. Dies ist möglich durch Defekte in der Gitterstruktur eines Feststoffs oder einer wässrigen Lösung – diese Defekte ermöglichen es den Ionen, sich in einem elektrischen Feld zu bewegen. Wie Sie im Bild unten sehen können, gibt es eine ‘Vakanz’, die es den Ionen ermöglicht, sich zu bewegen.

Bestimmte Feststoffe besitzen eine sehr hohe Ionenleitfähigkeit, was in der Festkörperelektronik wie Computern und Mobiltelefonen nützlich ist. Es ist auch ein nützliches Verfahren in normalen und wiederaufladbaren Batterien und Brennstoffzellen.

Ionische Salze können auch in Lösung gelöst werden, wodurch dann ein elektrischer Strom fließen kann. In diesem Fall sind die Ionen sowohl elektrisch geladen als auch mobil, was sie zu guten Ladungsträgern macht. Feste Salze leiten keinen Strom, weil sie einfach keine Ladungsträger haben, die mobil sind.

Elektrische Leitfähigkeit

In Metallen kann die elektrische Leitfähigkeit durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen entstehen. Die Atome des Metalls haben alle Valenzelektronen – das sind Elektronen, die in der äußeren Hülle jedes Atoms gefunden werden, aber sie sind ‘frei’ in der gesamten Struktur zu bewegen. Die Bewegung dieser freien Elektronen ermöglicht es dem Metall, einen elektrischen Strom zu leiten. Wenn sie sich frei bewegen können, werden sie als delokalisiert bezeichnet. Ohne äußeren Einfluss bewegen sie sich zufällig in der gesamten Struktur.

Ein elektrisches Potential kann an ein Metall angelegt werden, normalerweise von einer Batterie, und bildet einen elektrischen Stromkreis. Dies verursacht eine Nettodrift von Elektronen, die um die Schaltung fließt. Je höher dieses elektrische Potential ist, desto höher ist der Elektronenfluss.

Ein 12-koordiniertes Metall ist eines, in dem die Atome so dicht gepackt sind, dass möglichst viele Atome den verfügbaren Raum ausfüllen. Diese Konfiguration bedeutet, dass jedes Atom in der Struktur 12 andere Atome im 3D-Raum berührt. Die folgenden Bilder zeigen, wie ein bestimmtes Atom 6 andere in derselben Schicht berührt, 3 in der darüber liegenden Schicht und 3 in der darunter liegenden Schicht – dies ergibt insgesamt 12, daher der Name.

Eine andere Konfiguration ist das 8-koordinierte Metall, das am häufigsten in Gruppe 1 des Periodensystems vorkommt. Diese sind weniger dicht gepackt und als solche berührt jedes Atom nur 8 andere im 3D-Raum.

Halbleiter existieren ebenfalls. Dies sind Substanzen, bei denen die Leitfähigkeit irgendwo zwischen einem Leiter und einem Isolator liegt, wie Silizium und Kohlenstoff. In ihrem natürlichen Zustand sind sie relativ schlechte Leiter, können aber einer Dotierung unterliegen – dies ist ein Prozess, bei dem einem Halbleiter Verunreinigungen zugesetzt werden. Ein dotierter Halbleiter wird dann als extrinsischer Halbleiter bezeichnet, der Elektrizität viel besser leitet als ein Standardhalbleiter.

Wärmeleitung

Wärmeleitung (manchmal auch Wärmeleitung genannt) tritt auf, wenn sich schnell bewegende Partikel mit ihren benachbarten Partikeln interagieren und so einen Teil ihrer kinetischen Energie übertragen. Dieser Prozess findet von Regionen mit höherer Temperatur zu Regionen mit niedrigerer Temperatur statt. Es gibt 4 Hauptsachen, die die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der Wärme geleitet wird:

1. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Regionen
2. Die ‘Länge’ der Region
3. Die Querschnittsfläche der Region
4. Das Material, in dem der Prozess stattfindet

Metallische Feststoffe leiten Wärme am besten, während Gase Wärme am schlechtesten leiten. Dies liegt daran, dass sich die Partikel in einem Feststoff so nahe beieinander befinden, dass eine Kollision und damit die Übertragung von Wärmeenergie unglaublich wahrscheinlich ist. Sie sind gute Wärmeleiter aus genau den gleichen Gründen sind sie gute elektrische Leiter. Aus diesem Grund wird die Wärmeenergie umso besser geleitet, je höher die Dichte des Feststoffs ist.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass Energie von einem Teilchen auf ein anderes übertragen wird und es dabei keine Gesamtbewegung der Teilchen gibt.