Freie Elektronen und Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit ist eine physikalische Eigenschaft von Materialien, die ihre Fähigkeit zur Leitung elektrischen Stroms darstellt. Die SI-Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist Siemens pro Meter (S/m). Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials wird durch mehrere Faktoren bestimmt, darunter die Dichte und Mobilität von Ladungsträgern (wie Elektronen oder Ionen), die Struktur des Materials, Temperatur und andere Umweltfaktoren.
Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Metalle und einige Arten von Salzen und Lösungen, werden häufig in elektrischen und elektronischen Anwendungen verwendet, wo sie dazu dienen, elektrischen Strom mit minimalen Widerständen oder Energieverlusten zu übertragen. Andere Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie Isolatoren und Halbleiter, werden in Anwendungen eingesetzt, in denen sie den Fluss elektrischer Ladung kontrollieren oder manipulieren können.
Freie Elektronen und ihre Rolle in der elektrischen Leitfähigkeit
Freie Elektronen sind Elektronen, die nicht an ein Atom oder Molekül gebunden sind und sich frei durch ein Material bewegen können. Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials hängt von der Anzahl der freien Elektronen ab, die zum Tragen der elektrischen Ladung zur Verfügung stehen.
Materialien mit einer hohen Anzahl freier Elektronen, wie Metalle, sind gute elektrische Leiter. In Metallen sind die Valenzelektronen der Atome locker an den Atomkern gebunden, was ihnen erlaubt, sich frei durch das Material zu bewegen. Im Gegensatz dazu sind Materialien mit wenigen freien Elektronen, wie Nichtmetalle, schlechte elektrische Leiter. Nichtmetalle haben fest gebundene Elektronen, die sich nicht frei durch das Material bewegen können, weshalb sie den elektrischen Strom schlecht leiten.
Die elektrische Leitfähigkeit kann definiert werden als Maß für den erforderlichen Spannungsbedarf, um eine bestimmte Menge elektrischen Strom fließen zu lassen. Dies wird weitgehend durch die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale bestimmt; diese Elektronen bestimmen die Leichtigkeit, mit der mobile Elektronen erzeugt werden. Ein weiterer Faktor ist die Anzahl der Atome pro Volumeneinheit, die bestimmt, wie viele Elektronen bereitwillig auf ein elektrisches Feld reagieren.
Elektronenfluss in einem Draht
Wird eine Spannung an einen Leiter angelegt, entsteht ein elektrisches Feld, das die Elektronen in eine bestimmte Richtung bewegt. Die Elektronen bewegen sich jedoch nicht geradlinig, sondern unterliegen aufgrund von Kollisionen mit den Atomen des Leiters einer zufälligen Bewegung. Dies erzeugt einen Widerstand gegen den Fluss der Elektronen und bewirkt, dass ein Teil der Energie des elektrischen Feldes in Wärme umgewandelt wird.
Diese zufällige Bewegung führt dazu, dass die Elektronen eine durchschnittliche Geschwindigkeit haben, die als Driftgeschwindigkeit bezeichnet wird. Die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in einem Leiter ist typischerweise recht langsam, in der Größenordnung von einigen Millimetern pro Sekunde, obwohl der Strom im Leiter recht hoch sein kann. Dies liegt daran, dass die Elektronen ständig mit den Atomen des Leiters kollidieren, was ihre Gesamtbewegung verlangsamt.
Die Driftgeschwindigkeit ist proportional zum Strom. In einem resistiven Material ist sie auch proportional zur Stärke eines äußeren elektrischen Feldes. Während die Driftgeschwindigkeit relativ langsam ist, ist sie dennoch ein wichtiges Konzept zum Verständnis des Verhaltens elektrischer Ströme in Leitern. Der Gesamtfluss elektrischer Ladung in einem Leiter wird durch die Kombination aus der Driftgeschwindigkeit und der Anzahl der Ladungsträger bestimmt, die durch den Leiter fließen.
Bei Anwendung einer Gleichspannung (DC) erhöht sich die Elektronendriftgeschwindigkeit proportional zur Stärke des elektrischen Feldes. Bei Wechselspannungen (AC) erfolgt keine Nettobewegung; die Elektronen oszillieren hin und her in Reaktion auf das wechselnde elektrische Feld (über eine Distanz von einigen Mikrometern).
