Widerstand Tutorial enthält:
Was ist Widerstand Ohmsches Gesetz Ohmsche & Nicht-ohmsche Leiter Widerstand Widerstandstabelle für gängige Materialien Widerstandstemperaturkoeffizient Elektrische Leitfähigkeit Reihe & Parallele Widerstände Parallele Widerstandstabelle
Im Gegensatz zum Widerstand, der den Widerstand gegen einen elektrischen Stromfluss misst, ist die elektrische Leitfähigkeit oder der elektrische Leitwert ein Maß dafür, wie sich ein elektrischer Strom in einem Stoff bewegt.
Je höher die elektrische Leitfähigkeit in einem Material ist, desto größer ist die Stromdichte bei einer bestimmten angelegten Potentialdifferenz.
Auf diese Weise kann man sehen, dass die elektrische Leitfähigkeit oder der elektrische Leitwert eines Stoffes ein Maß für seine Fähigkeit ist, Elektrizität zu leiten.
Die elektrische Leitfähigkeit oder der elektrische Leitwert eines Materials ist wichtig, weil einige Stoffe Elektrizität so gut wie möglich leiten müssen. Drähte müssen den Strom möglichst leicht fließen lassen. Andere Stoffe müssen den Stromfluss einschränken, wie z. B. ein Widerstand, und wieder andere Stoffe müssen den Strom nicht leiten, wie z. B. Isolatoren.
Grundlagen der elektrischen Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit ist ein Verhältnis der Stromdichte zur elektrischen Feldstärke. Je höher der Wert der Leitfähigkeit ist, desto geringer ist der Widerstand, den es dem Stromfluss entgegensetzt.
Der Wert der elektrischen Leitfähigkeit hängt davon ab, wie gut sich Elektronen oder andere Ladungsträger wie Löcher im Gitter des Materials bewegen können.
Hochleitfähige Materialien wie Kupfer erlauben die freie Bewegung von Elektronen in ihrem Molekülgitter. Es gibt freie Elektronen innerhalb des Gitters.
Materialien mit einer geringen Leitfähigkeit oder Leitfähigkeit haben sehr wenige freie Elektronen innerhalb ihrer Struktur. Die Elektronen sind fest in der Molekularstruktur eingeschlossen und benötigen ein beträchtliches Maß an Energie, um sie freizugeben.
Einheiten für die elektrische Leitfähigkeit: Siemens und mho
Die Einheiten für die elektrische Leitfähigkeit sind Siemens pro Meter, S⋅m-1.
Das Siemens wurde früher auch als mho bezeichnet – dies ist der Kehrwert von einem Ohm, was sich aus der umgekehrten Schreibweise von Ohm ergibt.
Der Leitwert ist der Kehrwert des Widerstands, und ein Siemens entspricht dem Kehrwert eines Ohm.
Der Name Siemens für die Einheit des Leitwerts wurde 1971 von der 14. Generalkonferenz für Maß und Gewicht als abgeleitete SI-Einheit angenommen. Sie wurde nach Ernst Werner von Siemens benannt.
Wie bei jedem Namen des SI, des Internationalen Einheitensystems, der vom Eigennamen einer Person abgeleitet ist, wird der erste Buchstabe seines Symbols groß geschrieben, d.h. in diesem Fall steht der Buchstabe „S“ für einen Wert in Siemens, 10S. Wenn der vollständige Name einer SI-Einheit auf Englisch geschrieben wird, sollte er immer mit einem Kleinbuchstaben beginnen, d. h. in diesem Fall mit Siemens. Die Ausnahme ist, wenn ein Wort groß geschrieben wird, wie z. B. am Anfang eines Satzes usw.
Das am häufigsten verwendete Symbol ist die Kleinbuchstabenversion des griechischen Buchstabens Sigma, σ, aber auch Kappa, &Kappa, Gamma, &Gamma, werden gelegentlich verwendet.
Obwohl die SI-Einheiten für die Leitfähigkeit am weitesten verbreitet sind, werden Leitfähigkeitswerte oft in Form ihres IACS-Prozentwertes angegeben. Der IACS, International Annealed Copper Standard, wurde 1913 von der International Electrochemical Commission festgelegt.
Die Leitfähigkeit des geglühten Kupfers (5,8001 x 107S/m) ist definiert als 100% IACS bei 20°C.
Alle anderen Leitfähigkeitswerte werden auf diesen Leitfähigkeitswert bezogen. Das bedeutet, dass Eisen mit einem Leitfähigkeitswert von 1,04 x 107 S/m eine Leitfähigkeit von ca. 18% der Leitfähigkeit von geglühtem Kupfer hat und dies als 18% IACS angegeben wird.
Da sich die Metallverarbeitungsmethoden seit der Einführung der Norm verbessert haben, weisen einige moderne Kupferprodukte jetzt oft IACS-Leitfähigkeitswerte von mehr als 100 % IACS auf, da jetzt mehr Verunreinigungen aus dem Metall entfernt werden können.
Formeln für die elektrische Leitfähigkeit
Widerstand und Leitfähigkeit sind miteinander verknüpft. Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstandes. Dementsprechend ist es einfach, das eine durch das andere auszudrücken.
Wobei:
σ die Leitfähigkeit des Materials in Siemens pro Meter ist, S⋅m-1
ρ der spezifische Widerstand des Materials in Ohm Meter ist, Ω⋅m
Dies kann dann in die Formel für den spezifischen Widerstand eingesetzt werden, um die folgende Beziehung zu erhalten.
Wobei:
σ ist die Leitfähigkeit des Materials in Siemens pro Meter, S⋅m-1
E ist die Größe des elektrischen Feldes in Volt pro Meter, V⋅m-1
J ist die Größe der Stromdichte in Ampere pro Quadratmeter, A⋅m-2
Oft ist es notwendig, die Leitfähigkeit auf eine bestimmte Länge des Materials mit einer konstanten Querschnittsfläche zu beziehen..
Mit Hilfe dieses Diagramms ist es möglich, die Leitfähigkeit mit dem Widerstand, der Länge und der Querschnittsfläche des Probekörpers in der nachstehenden Leitfähigkeitsformel zu verbinden.
R = σ A l
Wobei:
R der in Ohm gemessene elektrische Widerstand einer gleichmäßigen Probe des Materials ist
l die in Metern gemessene Länge des Materialstücks ist, m
A die in Quadratmetern gemessene Querschnittsfläche der Probe ist, m2
Mit diesen Formeln zur elektrischen Leitfähigkeit kann man aus der Kenntnis des Widerstands, der Länge und der Querschnittsfläche eines Materialblocks die Leitfähigkeit berechnen.
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