Materie

Eigenschaften

Elektrische Eigenschaften

Materie ist im Allgemeinen elektrisch neutral. Sie besteht zwar aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen, die positiven und negativen Ladungen gleichen sich jedoch in größeren Bereichen eines Objektes fast aus. Ihre Differenz, und damit die Nettoladung, ist klein verglichen mit der Gesamtmenge der positiven bzw. negativen Ladungen.

Hinsichtlich ihres Verhaltens in elektrischen Feldern unterscheidet man zwischen Leitern, Halbleitern und Nichtleitern. Sie unterscheiden sich jeweils durch die Lage der Fermienergie, was sich in der Anzahl der Ladungsträger im Leitungsband bei einer bestimmten Temperatur niederschlägt. Leiter sind insbesondere Metalle, Elektrolyten und Plasmen; Nichtleiter die meisten übrigen Stoffe.

Ideale Leiter sind in ihrem Inneren frei von elektrischen Feldern. Leiter können daher von elektrischen Feldern nicht durchdrungen werden, man kann solche Felder mit ihnen abschirmen. Innerhalb einer geschlossenen Leiteranordnung kann kein elektrisches Feld herrschen (Faradayscher Käfig). Elektrische Felder bewirken aber, dass sich die frei beweglichen Ladungsträger im Leiter an bestimmten Stellen seiner Oberfläche konzentrieren (Influenz), sodass es dort Ladungsüberschüsse und lokal unterschiedliche Oberflächenladungen gibt. Das durch diese Ladungen erzeugte elektrische Feld überlagert sich mit dem ursprünglichen Feld so, dass die elektrischen Feldlinien auf der Leiteroberfläche überall senkrecht stehen (Konzept der Spiegelladung).

Liegt zwischen zwei Punkten eines Leiters eine elektrische Spannung, so fließt zwischen diesen Punkten ein elektrischer Strom. Bei guten Leitern ist bei gleicher Spannung der Strom stärker als bei schlechten Leitern. Als Maß dafür verwendet man die elektrische Leitfähigkeit, sie ist als Verhältnis von Strom und Spannung, genauer gesagt von Stromdichte und elektrischem Feld definiert. Halbleiter haben eine wesentlich schlechtere Leitfähigkeit als beispielsweise Metalle, andererseits ist ihre Leitfähigkeit sehr variabel und leicht zu beeinflussen, etwa durch Licht, Erwärmung oder Spannungsänderungen. Supraleiter haben unendliche Leitfähigkeit.

Die elektrische Leitfähigkeit von Nichtleitern ist hingegen null. Nichtleiter, die auch als Dielektrika oder als Isolatoren bezeichnet werden, schirmen elektrische Felder nicht ab, schwächen diese aber. Die elektrische Suszeptibilität misst, wie stark dies geschieht. Die Suszeptibilität führt auch in Nichtleitern zur Ladungstrennung, die hier Polarisation genannt wird. Auf polarisierte Dielektrika wirkt in inhomogenen elektrischen Feldern eine Kraft in Richtung höherer Feldstärke. Durch den Einfluss des elektrischen Feldes wird das Dielektrikum außerdem mechanisch deformiert. Umgekehrt bewirkt mechanische Deformation bei manchen Nichtleitern, dass sich ein elektrisches Feld ausbildet (Piezoelektrizität). Die Durchschlagsfestigkeit ist die maximale Feldstärke, die in einem Isolator herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag kommt.

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