Die elektrische Leitfähigkeit (Formelzeichen $\backslash sigma$) ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Stoffes angibt, elektrischen Strom zu leiten. Sie ist definiert als die Proportionalitätskonstante zwischen der Stromdichte $\backslash vec\; j$ und der elektrischen Feldstärke $\backslash vec\; E$ in der allgemeinen Form des Ohmschen Gesetzes

$\backslash vec\; j=\backslash sigma\; \backslash vec\; E$.

Im allgemeinen Fall ist die elektrische Leitfähigkeit daher ein Tensor 2. Stufe, also eine quadratische Matrix. Da jedoch in vielen Fällen die Stromleitung parallel zum elektrischen Feld erfolgt, genügt in der Regel die Angabe als skalare Größe.

Die elektrische Leitfähigkeit ist mit dem spezifischen elektrischen Widerstand $\backslash rho$ über die Formel

$\backslash sigma=\backslash frac\; \{1\}\{\backslash rho\}$

verknüpft. In Anlehnung an die Tatsache, dass der Leitwert der Kehrwert des Widerstandes ist, wird die elektrische Leitfähigkeit oft spezifischer Leitwert genannt.

Formelzeichen und Einheiten

Das Formelzeichen für die elektrische Leitfähigkeit ist der griechische Buchstabe $\backslash sigma$ (sigma). Weitere häufig verwendete Formelzeichen für die elektrische Leitfähigkeit sind $\backslash kappa$ (kappa) und $\backslash gamma$ (gamma).

Die abgeleitete SI-Einheit der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit ist S/m (Siemens pro Meter). Sehr gebräuchlich sind zudem S/cm, m/Ω·mm² und S·m/mm², wobei die Zusammenhänge 1 S/cm = 100 S/m und 1 m/Ω·mm² = S·m/mm² = 10⁶ S/m gelten. Eine weitere besonders in den USA gebräuchliche Einheit ist % IACS. Hier wird die Leitfähigkeit als Prozentwert der Leitfähigkeit reinen geglühten Kupfers ausgedrückt (sogenannter International Annealed Copper Standard). 100 % IACS entsprechen 58 MS/m.

Stoffe mit verschiedener elektrischer Leitfähigkeit

Nach der elektrischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in

• Leiter (insbesondere alle Metalle)

Typische Werte (bei 25°C):

• Silber: 62 · 10⁶ S/m (höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle)
• Meerwasser: ~ 5 S/m
• Leitungswasser: ~ 0,05 S/m
• reines Wasser: 5 · 10^-6 S/m (wird oft auch bereits als Nichtleiter bezeichnet)
  • Isolatoren oder Nichtleiter (die meisten Nichtmetalle sowie Kohlenwasserstoffe und viele organische Verbindungen)

Typischerweise < 10^-10 S/m.

• Halbleiter (beispielsweise Silizium, Germanium)

Bei Halbleitern hängt die Leitfähigkeit von Faktoren, wie Temperatur, Druck oder Belichtung ab. Die Leitfähigkeit liegt im Bereich zwischen Leitern und Isolatoren.

• Supraleiter (viele Metalle, verschiedene Legierungen, einige wenige Keramiken und manche Fullerene)

Unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur ist die Leitfähigkeit quasi "unendlich", der elektrische Widerstand verschwindet vollständig.

Warum ist ein Stoff elektrisch leitfähig?

Die Leitfähigkeit eines Stoffes oder Stoffgemisches hängt von der Verfügbarkeit von beweglichen Ladungsträgern ab. Dies können locker gebundene Elektronen, wie beispielsweise in Metallen, aber auch in organischen Molekülen mit delokalisierten Elektronen (die häufig durch mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden) oder Ionen sein.

Wässrige Lösungen zeichnen sich durch eine geringe Leitfähigkeit aus. Sie steigt, wenn dem Wasser Ionen, also Salze, Säuren oder Basen hinzugefügt werden. Dementsprechend hat Meerwasser eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Süßwasser. Reines Wasser (destilliertes oder demineralisiertes) hat eine äußerst geringe Leitfähigkeit.

In Halbleitern nutzt man gezielte Verunreinigungen, um die Leitfähigkeit zu beeinflussen (Dotierung). Durch Elektronendonatoren werden sie n-dotiert, durch Elemente, die weniger als vier Außenelektronen haben, p-dotiert. Durch die p-Dotierung entstehen Elektronenfehlstellen, auch Löcher genannt, die die Leitfähigkeit ebenso erhöhen wie überzählige Elektronen in n-dotierten Halbleitern.

Ein Modell zur Veranschaulichung und Erklärung der Leitfähigkeit eines Kristalls ist durch das Bändermodell gegeben.

Beispiele

Weblinks

• Elektronik-Kompendium
• Arbeit zur elektrischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten

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