Was ist ein leitfähiges Material?
Leitfähige Materialien sind Materialien, die Elektrizität mit freien Elektronen leiten können.
Zu den gängigen leitfähigen Materialien gehören Metalle, Halbleiter und leitfähige Polymere. Metalle haben aufgrund des Vorhandenseins freier Elektronen hohe Leitfähigkeitseigenschaften. Halbleiter hingegen haben eine niedrige Leitfähigkeit, aber ihre Leitfähigkeit kann durch Dotierung und andere Techniken gesteuert werden. Leitfähige polymere Werkstoffe sind flexibel, leicht und haben eine einstellbare Leitfähigkeit, die auf das Vorhandensein von geladenen Teilen im Molekül zurückzuführen ist.
Leitfähige Materialien finden breite Anwendung in elektronischen Geräten, Schaltkreisen, Sensoren, Beleuchtung, Elektrofahrzeugen und Solarzellen.
Anwendungen von leitfähigen Materialien
Die wichtigsten Anwendungen für leitfähige Materialien sind:
1. Elektronische Geräte
Transistoren, Dioden und integrierte Schaltungen (IC) sind Beispiele dafür. Transistoren sind eine Art von elektronischen Geräten, die zur Verstärkung und zum Schalten von elektrischen Signalen verwendet werden. Transistoren werden aus Halbleitermaterialien (hauptsächlich Silizium) hergestellt. Dioden sind eine Art von elektronischen Bauteilen aus Halbleitermaterialien (hauptsächlich Silizium), die einen Stromfluss in eine Richtung ermöglichen.
2. Elektrische und elektronische Schaltungen
Beispiele sind Verdrahtungen und Leiterplatten. Eine gedruckte Schaltung (PCB) ist eine Platte, auf der elektronische Schaltkreise montiert sind und auf der Leiterbahnen gebildet werden, so dass Komponenten verbunden werden können, um einen Schaltkreis zu bilden. Eine Leiterbahn ist ein Leiter aus Kupferfolie oder leitender Tinte, der die Bauteile auf einer Leiterplatte verbindet.
3. Sensoren
Beschleunigungssensoren, Drucksensoren und Temperatursensoren sind Beispiele dafür.
4. Beleuchtung
LEDs, Leuchtstofflampen usw. LEDs (englisch: Light Emitting Diode) sind eine Art Halbleiterbauelement, das Licht aussendet, wenn Strom durch es fließt.
5. Elektronische Geräte
Computer, Smartphones, Tablets und Haushaltsgeräte
6. Transportmittel
Züge, Elektrofahrzeuge, Aufzüge, automatische Türen, usw.
Arten von leitfähigen Materialien
Die folgenden Arten von leitfähigen Materialien werden verwendet:
1. Metalle
Metalle wie Kupfer, Aluminium, Eisen, Silber und Gold sind als leitfähige Materialien sehr bekannt. Metalle haben eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit, da sich die Elektronen frei bewegen können.
2. Halbleiter
Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid und Galliumnitrid werden als leitfähige Materialien verwendet. Halbleiter sind Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit im reinen Zustand, aber ihre elektrische Leitfähigkeit kann durch Hinzufügen von Verunreinigungen gesteuert werden.
3. Elektrolyte
Ionische Verbindungen und Flüssigkeiten (ionische Verbindungen, die sich in einen flüssigen Zustand aufgelöst haben) werden als leitfähige Materialien verwendet. Elektrolyte sind aufgrund der Bewegung von Ionen elektrisch leitfähig. Elektrolyte werden in Energieumwandlungsgeräten wie Batterien, Brennstoffzellen und elektrochemischen Sensoren verwendet.
Ionische Verbindungen sind Verbindungen, die aus Kationen und Anionen bestehen. Ionische Verbindungen können Strom leiten, wenn sie in Wasser gelöst sind, da sie ionisieren und in Kationen und Anionen zerfallen.
4. Leitfähige Polymere
Polymere wie Polyacetylen, Polypyrrol und Polyanilin werden als leitfähige Materialien verwendet. Leitfähige Polymere werden als organische elektronische Materialien verwendet, z. B. in organischen EL-Displays.
5. Andere
Die Entwicklung neuer Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen und Metalloxide hat zur Entwicklung verschiedener Arten leitfähiger Materialien geführt.
Kohlenstoff-Nanoröhren sind röhrenförmige Materialien im Nanomaßstab, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einem hexagonalen Netzwerk miteinander verbunden sind. Graphen ist ein zweidimensionales Material, das aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen besteht und sich durch eine sehr hohe Festigkeit, Leitfähigkeit und Transparenz auszeichnet. Graphen ist eine einzelne Schicht aus exfoliertem Graphit, in der die Kohlenstoffatome in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind.
Eigenschaften von leitfähigen Materialien
1. Leitet Elektrizität
Der Grund, warum leitfähige Materialien Elektrizität leiten können, ist das Vorhandensein von freien Elektronen in ihrem Inneren. Freie Elektronen können sich innerhalb des Materials frei bewegen, unabhängig von den Atom- oder Molekülbindungen. Leitfähige Materialien sind in der Lage, Ladung aufgrund der Bewegung freier Elektronen zu leiten, die durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld verursacht wird.
2. Geringer elektrischer Widerstand
Im Inneren eines leitfähigen Materials bewegen sich freie Elektronen und leiten aufgrund eines von außen angelegten elektrischen Feldes Strom. Widerstand entsteht, wenn freie Elektronen mit Atomen und Molekülen im Inneren des Materials zusammenstoßen.
Der Grund für den geringen elektrischen Widerstand leitfähiger Materialien ist die geordnete kristalline Struktur im Inneren des Materials. Eine geordnete Kristallstruktur verringert die Anzahl der Atome und Moleküle, mit denen freie Elektronen zusammenstoßen, wenn sie sich im Material bewegen, was zu einem geringen Widerstand führt. Je weniger Verunreinigungen und Defekte im Inneren eines leitfähigen Materials vorhanden sind, desto geringer ist der Widerstand.
3. Hohe Wärmeleitfähigkeit
Im Inneren eines leitfähigen Materials nehmen freie Elektronen Energie aus von außen zugeführter Wärme auf und leiten Wärmeenergie. Die Wärme wird übertragen, wenn die freien Elektronen mit Atomen und Molekülen im Inneren des Materials zusammenstoßen.
Der Grund für die hohe Wärmeleitfähigkeit leitfähiger Materialien ist die geordnete kristalline Struktur im Inneren des Materials. Eine geordnete kristalline Struktur verringert die Anzahl der Atome und Moleküle, die mit den freien Elektronen kollidieren, wenn sie sich innerhalb des Materials bewegen, was eine gleichmäßige Wärmeübertragung ermöglicht. Je weniger Verunreinigungen und Defekte im Inneren des leitfähigen Materials vorhanden sind, desto höher ist auch die Wärmeleitfähigkeit.
4. Elektrizität erzeugt ein Magnetfeld
Ein Magnetfeld ist ein Phänomen, das um einen stromdurchflossenen Leiter auftritt. Im Inneren eines leitfähigen Materials führt ein von außen angelegtes elektrisches Feld dazu, dass sich freie Elektronen bewegen und ein elektrischer Strom fließt, der ein magnetisches Moment im Inneren des leitfähigen Materials erzeugt und ein Magnetfeld erzeugt.
Damit ein leitfähiges Material magnetisch ist, müssen genügend freie Elektronen im Inneren des Materials vorhanden sein. Das Vorhandensein freier Elektronen erleichtert den Stromfluss und den Ladungstransfer, der für die Erzeugung eines Magnetfelds notwendig ist. Die magnetischen Eigenschaften leitfähiger Materialien neigen auch dazu, ein Magnetfeld in einer Richtung zu erzeugen, die senkrecht zur Richtung des Stromflusses steht.
Weitere Informationen zu leitfähige Materialien
1. Hinzufügen von Verunreinigungen zu Halbleitermaterialien
Die Leitfähigkeit und bestimmte physikalische Eigenschaften lassen sich durch gezielte Zugabe von Verunreinigungen zu leitfähigen Materialien steuern. Beispielsweise erhöht die Zugabe von Oxiden zu Kupfer dessen elektrischen Widerstand. Durch Hinzufügen von Verunreinigungen wie Bor zu Silizium können p- und n-Typ-Halbleiter erzeugt werden.
P- und n-Typ-Halbleiter sind Halbleiter, deren elektrische Eigenschaften durch Hinzufügen bestimmter Verunreinigungen zum Halbleitermaterial gesteuert werden. P- und n-Typ-Halbleiter können zu p-n-Übergängen kombiniert werden, die Elemente und Schaltungen mit einzigartigen elektrischen Eigenschaften bilden können.
2. Flexible leitende Materialien
Einige leitfähige Materialien sind biegsam. Leitfähige Polymere und Kohlenstoff-Nanoröhren sind sehr flexibel und leicht, behalten aber ihre Leitfähigkeit. Diese Materialien werden in elektronischen Geräten und Sensoren verwendet, die sich biegen und strecken lassen.
3. Leitfähige Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit
Einige leitfähige Materialien können hohen Temperaturen standhalten. Kohlenstoff-Nanoröhrchen beispielsweise sind dafür bekannt, dass sie bei hohen Temperaturen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies liegt daran, dass Kohlenstoff-Nanoröhren sehr zäh sind und sich ihre Struktur bei hohen Temperaturen nicht verändert.
4. Korrosionsbeständigkeit von metallischen leitfähigen Materialien
Leitfähige Materialien aus Metall weisen in der Regel eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Kupfer zum Beispiel oxidiert an der Luft, wodurch sich seine Oberfläche verfärbt, aber Kupferoxide bedecken die Oberfläche und verhindern eine weitere Oxidation.