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In der Physik und Elektrotechnik ist ein Leiter ein Objekt oder eine Materialart, die den Fluss von Ladung (Elektrizität) durch sie ermöglicht. Leiter haben auf ihrer Oberfläche freie Elektronen, die den Strom durchlassen. Dies ist der Grund, warum sie Strom leiten können. Leiter können auch die Übertragung von Wärme von einer Quelle zu einer anderen ermöglichen.
Normalerweise hängt der Widerstand eines bestimmten Leiters von seinem Material und seinen Abmessungen ab. Bei einem gegebenen Material ist der Widerstand umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche. Beispielsweise hat ein dicker Kupferdraht einen geringeren Widerstand als ein ansonsten identischer dünner Kupferdraht. Außerdem ist bei einem gegebenen Material der Widerstand proportional zur Länge, beispielsweise hat ein langer Kupferdraht einen höheren Widerstand als ein ansonsten identischer kurzer Kupferdraht.
Zu den leitfähigen Materialien gehören Metalle (Kupfer, Aluminium, Eisen usw.), Elektrolyte, Supraleiter, Halbleiter, Plasmen und einige nichtmetallische Leiter wie Graphit und leitfähige Polymere.
Halbleiter sind Materialien, die eine Zwischenleitfähigkeit zwischen der von Leitern (im Allgemeinen Metalle) und Isolatoren (wie die meisten Keramiken) aufweisen; entweder aufgrund der Zugabe einer Verunreinigung oder aufgrund von Temperatureinflüssen. Halbleiter können reine Elemente wie Silizium oder Germanium oder Verbindungen wie Galliumarsenid oder Cadmiumselenid sein. Halbleiter werden bei der Herstellung verschiedener Arten von elektronischen Geräten verwendet, einschließlich Dioden, Transistoren und integrierten Schaltungen.
Halbleiterbauelemente können eine Reihe nützlicher Eigenschaften aufweisen, wie z. B. Strom leichter in eine Richtung leiten als in die andere, wobei sie einen variablen Widerstand und eine Licht- oder Wärmeempfindlichkeit aufweisen. Da die elektrischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials durch Dotieren oder durch Anlegen von elektrischen Feldern oder Licht verändert werden können, können Bauelemente aus Halbleitern zum Verstärken, Schalten und zur Energieumwandlung verwendet werden.
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Ein Isolator, der auch als Nichtleiter bezeichnet wird, ist ein Objekt oder eine Materialart, die den Fluss von Ladung (Elektrizität) nicht zulässt. Nach der Elektronenbandtheorie (einem Teilgebiet der Physik) fließt eine Ladung, wenn Zustände vorhanden sind, in die Elektronen angeregt werden können. Dadurch können Elektronen Energie gewinnen und sich dadurch durch einen Leiter wie Metall bewegen. Wenn keine solchen Zustände verfügbar sind, handelt es sich bei dem Material um einen Isolator.
Isolatoren stützen und verhindern, dass elektrische Leiter unbeabsichtigt miteinander in Kontakt kommen. Zu den Isoliermaterialien gehören Papier, Holz, Kunststoff, Porzellan, Gummi, Glas, Teflon und Luft. Bei der Hochspannungsübertragung werden häufig Porzellan- und Glasisolatoren verwendet. Kunststoff hat nicht die gleiche Widerstandsfähigkeit wie Glas und Porzellan, ist aber immer noch ziemlich widerstandsfähig und wird daher häufiger für Massenanwendungen verwendet. Kunststoffe werden häufig verwendet, um Drähte und Kabel zu isolieren.
Die Eigenschaft, die einen Isolator auszeichnet, ist sein spezifischer Widerstand. Isolatoren haben einen höheren spezifischen Widerstand als Halbleiter oder Leiter. Ein Material hat einen hohen Widerstand, wenn es die Strommenge, die durch es fließt, effektiv reduzieren kann. Isolatoren haben im Allgemeinen eine Nennspannung von Hunderttausenden von Volt, aber einige, die in der Energieübertragung und -verteilung verwendet werden, haben eine Nennspannung von Hunderttausenden von Volt.
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VERGLEICHSGRUNDLAGE | DIRIGENT | HALBLEITER | ISOLATOR |
Beschreibung | Leiter ist ein Material, das den elektrischen Strom oder die Wärme durchlässt. | Halbleiter ist ein Material oder eine Substanz, die unter verschiedenen Bedingungen sowohl als Leiter als auch als Isolator wirken kann. | Isolatoren sind Materialien oder Stoffe, die weder Wärme noch Strom durchlassen. |
Leitfähigkeit | Sie haben eine sehr hohe Leitfähigkeit (10 -7 Ʊ/m) und können daher elektrischen Strom leicht leiten. | Haben eine mittlere Leitfähigkeit (zwischen 10 -7 Ʊ/m bis 10 -13 Ʊ/m), daher können sie unter verschiedenen Bedingungen als Isolator und Leiter wirken. | Sie haben eine sehr geringe Leitfähigkeit (10 -13 Ʊ/m), daher lassen sie keinen Stromfluss zu. |
Grund für Leitfähigkeit oder anderweitig | Die Leitung in Leitern ist auf die freien Elektronen bei der Metallbindung zurückzuführen. | Die Leitfähigkeit in Halbleitern beruht auf der Bewegung von Elektronen und Löchern. | Nichtleitung ist auf das Fehlen von freien Elektronen oder Löchern zurückzuführen. |
Widerstand gegen Temperatur | Der Widerstand eines Leiters steigt mit steigender Temperatur. | Der Widerstand eines Halbleiters nimmt mit steigender Temperatur ab. | Isolatoren haben einen sehr hohen Widerstand, der jedoch mit der Temperatur abnimmt. |
Ladungsträger | In Leitern sind Elektronen Ladungsträger. | In Halbleitern sind intrinsische Ladungsträger Löcher und Elektronen. | Isolatoren haben keine Ladungsträger. |
Valenzelektronen | Sie haben nur ein Valenzelektron in der äußersten Schale. | Sie haben vier Valenzelektronen in der äußersten Schale. | Sie haben acht Valenzelektronen in der äußersten Schale. |
Bandlücke | Bei Leitern gibt es eine geringe Energielücke zwischen dem Leitungs- und dem Valenzband eines Leiters. Es benötigt keine zusätzliche Energie für den Leitungszustand. | Die Bandlücke eines Halbleiters ist größer als die eines Leiters, aber kleiner als die eines Isolators. | Die Bandlücke in Isolatoren ist riesig, was wie ein Blitz eine enorme Energiemenge benötigt, um Elektronen in das Leitungsband zu drücken. |
Koeffizient des spezifischen Widerstands | Leiter haben einen positiven spezifischen Widerstandskoeffizienten. Sein Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu. | Halbleiter haben einen negativen spezifischen Widerstandskoeffizienten. | Der spezifische Widerstandskoeffizient eines Isolators ist ebenfalls negativ, aber er hat einen sehr großen Widerstand. |
Absoluter Nullpunkt | Einige spezielle Leiter werden beim Unterkühlen zu Supraleitern, während andere einen endlichen Widerstand haben. | Beim absoluten Nullpunkt werden die Halbleiter zu Isolatoren. | Der Isolatorwiderstand erhöht sich beim Abkühlen auf den absoluten Nullpunkt. |
Valenzband & Leitungsband | Valenzband und Leitungsband der Leiter ist vollständig gefüllt. | Valenzband ist teilweise leer und Leitungsband ist teilweise gefüllt. | Das Valenzband der Isolatoren ist vollständig gefüllt und das Leitungsband ist vollständig leer. |
Temperaturanstieg im Vergleich zur Anzahl der Träger | Bei steigender Temperatur nimmt die Zahl der Träger ab. | Bei steigender Temperatur nimmt die Zahl der Träger zu. | Bei steigender Temperatur nimmt die Anzahl der Überträge zu. |
Überlappung von Bändern | Valenz- und Leitungsband überlappen sich. | Valenzband und Leitungsband sind getrennte Energielücke von 1,1 eV. | Beide Bänder werden durch eine Energielücke von 6 eV -10 eV geteilt. |
Beispiele | Gold, Kupfer, Silber, Aluminium usw. | Silizium, Germanium, Selen, Antimon, Bor etc. | Gummi, Glas, Holz, Glimmer, Kunststoff, Papier usw. |
Anwendung | Die elektrisch leitenden Metalle wie Eisen, Kupfer, Aluminium usw. werden zu Drähten verarbeitet und können elektrischen Strom führen. | Halbleiter werden täglich in elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Computern, Solarzellen usw. als Schalter, Energiewandler, Verstärker usw. verwendet. | Die Isolatoren werden zum Schutz gegen hohe Spannungen und zum Verhindern von elektrischen Kurzschlüssen zwischen Kabeln in Stromkreisen verwendet. |
Art der ionischen Bindung | Leiter haben in ihrer Struktur eine metallische Bindungsart. | Halbleiter haben in ihrer Struktur eine ionische Bindung und einen kovalenten Bindungstyp. | Isolatoren weisen in ihrer Struktur eine kovalente Bindung auf. |
Einfluss des elektrischen Feldes auf den Stromfluss | In Leitern findet ein Stromfluss unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes leicht statt. | In Halbleitern findet kein Stromfluss unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes statt. | In Isolatoren fließt Strom unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes langsam. |
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