Nichtleiter
Nichtleiter sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit mit weniger als 10−8 S·cm−1 bzw. einem spezifischen Widerstand von über 108 Ω·cm vergleichsweise gering und daher meist nicht relevant ist und unterhalb der von Halbleitern liegt.[1][2][3] Während der Begriff in der Physik für beliebige Materialien wie auch Gase und das Vakuum benutzt wird, meint man in der Technik meist nur Festkörper.
Andere teilweise synonymische Bezeichnungen sind Isolator, Isolierstoff und Dielektrikum. Der Begriff Isolator meint neben der hier beschrieben Materialeigenschaft auch das nichtleitende Bauteil, das der Befestigung von elektrischen Bauteilen dient, siehe Isolator. Werden Nichtleiter zur Isolation von elektrischen Leitern wie etwa bei Kabeln verwendet, nennt man sie Isolierstoffe. Bestimmen die Isolierstoffe die elektrischen Eigenschaften von elektrischen oder elektronischen Bauteilen (z. B. Kondensatoren oder Koaxialkabel), bezeichnet man sie als Dielektrikum.
Unterteilung
Ideale Nichtleiter leiten keinen elektrischen Strom, sie haben einen unendlich hohen Widerstand und keine freien beweglichen Ladungsträger, wodurch ihre Leitfähigkeit null beträgt. Ideale Nichtleiter gibt es allerdings nicht (da auch das vollkommene Vakuum in der Natur nicht existiert[4], nur in einigen Experimenten konnten die Eigenschaften der idealen Nichtleiter (annähernd) erreicht werden.[5][6] Siehe dazu Isolierstoff: Supraisolator-Effekt bzw. Superisolator). Reale Nichtleiter hingegen besitzen, abhängig von der Temperatur, immer eine schwache Leitfähigkeit und somit einen endlichen spezifischen Widerstand.[7] Dennoch können sie oft wie ideale Nichtleiter behandelt werden und ihre Leitfähigkeit kann vernachlässigt werden.[8][9]
Physikalische Eigenschaften
Nichtleiter sind Stoffe, deren überwiegende Anzahl an Ladungsträger wie Elektronen fest an die Atome gebunden bzw. deren Ionen fest im Kristallgitter eingebaut sind und somit keine bedeutende Beweglichkeit haben.[10][11] Dazu gehören die meisten Nichtmetalle sowie Kohlenwasserstoffe und viele andere organischen Verbindungen. Aufgrund der Vielfältigkeit der nichtleitenden Materialien ist daher eine allgemeingültige Beschreibung der physikalischen Eigenschaften außer der elektrischen Leitfähigkeit nicht möglich.
Wie beschrieben werden Materialien mit einer Leitfähigkeit im Bereich 10−8 bis über 10−26 S·cm−1 zur Gruppe der Nichtleiter gezählt. Dieser Wert hat seine Ursache in der sehr kleinen Dichte freier elektrischer Ladungsträger (Elektronen und/oder Ionen). Am Beispiel eines nichtleitenden Festkörpers wie dem Diamanten lässt sich dies am besten über das Energiebändermodell darstellen. Bei Nichtleitern ist das Valenzband voll besetzt. Da die „verbotene Zone“ (Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband) sehr groß ist (EG>3 eV), können Elektronen durch einfache thermische Anregung (bei Raumtemperatur oder unter Normalbedingungen) kaum ins Leitungsband wechseln.[12][13][14] Ihre gering ausgeprägte Leitfähigkeit kommt daher vor allem durch Ionen zustande.[15] Auch bei stark erhöhten Temperaturen, bei denen die mittlere Energie der Elektronen theoretisch ausreichen würde um ins Leitungsband zu wechseln, ist dies vergleichsweise selten der Fall. Eher kommt es vorher zu Ionisationsprozessen, Verunreinigungen führen zu Verlusteffekten, oder das Material wird durch die thermische Belastung zerstört. In dieser Hinsicht unterscheiden sich Nichtleiter von Halbleitern. Auch Halbleiter besitzen eine „Verbotene Zone“, diese ist allerdings ausreichend klein, sodass viele Elektronen auch bei geringen Temperaturen vom Valenzband in das Leitungsband angeregt werden können und somit für den Ladungstransport zur Verfügung stehen, ohne dass der Halbleiter dadurch beschädigt wird. Der Grenzbereich zwischen Nichtleitern und Halbleitern liegt bei einer ungefähren Energielücke von drei Elektronenvolt.[16]
Nur eine sehr geringe Anzahl an Teilchen ist frei beweglich und bildet so genannte Ableitungsströme.
Die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger vergrößert sich sowohl mit steigender Temperatur ((starkes) Erhitzen) als auch mit steigender Spannung (Feldstärke).
Daher können alle als „Nichtleiter“ bezeichneten Stoffe oder Materialien trotz ihrer Benennung mit ausreichend viel Energie, zum Beispiel bei (sehr) hohen Temperaturen oder durch das Anlegen einer genügend hohen Spannung zum leiten von (höheren bzw. hohen) elektrischen Strömen gebracht werden, wodurch sich diese in elektrische Leiter verwandeln, allerdings oft nur kurzfristig, da vor allem Festkörper dabei häufig irreversibel zerstört werden.[17][18][19] Siehe dazu: Isolator: Überlastungsschäden.
So wird auch Diamant, abgesehen durch das Anlegen einer sehr hohen Spannung, bei Rotglut zum Leiter,[20] ebenso wie Glas, das dann jedoch schmilzt.[21]
Beispiele
Viele Stoffe sind Nichtleiter, einer der bekanntesten Vertreter ist reiner Kohlenstoff in der Modifikation Diamant. Aber auch zahlreiche Kohlenstoffverbindungen zählen zu den Nichtleitern, beispielsweise Bernstein oder verschiedene Kunststoffe. Letztere werden unter anderem für die Isolation von Kabeln oder für Gehäuse verwendet. Weitere Nichtleiter sind Keramikwerkstoffe, Glas oder auch Silikone.
Nichtionisierte, trockene Gase, wie Argon, Sauerstoff oder auch normale trockene Luft, sind ebenfalls Nichtleiter. Generell ist die Anwesenheit von Wasser für viele natürliche Stoffe bzw. Stoffgemische (z. B. Holz), die den elektrischen Strom von sich aus nicht bedeutend leiten, dafür verantwortlich, dass diese zum Leiter werden. Denn destilliertes oder deionisiertes Wasser gilt zwar als Isolator, da aber immer einige Wassermoleküle dissoziiert sind, stehen Ionen zur Verfügung, die den elektrischen Strom leiten und Wasser zu einem schlechten Isolator machen. Bei normalem Leitungswasser oder Wasser in Seen kommen noch die gelösten Salze (Metall- und Nichtmetallionen) usw. dazu. Diese erhöhen die Leitfähigkeit enorm und machen Wasser dadurch zu einem Leiter.
Salze im festen Zustand sind – trotz ihres Ionenaufbaus – meist Nichtleiter. Die Bindungskräfte zwischen den Ionen sind zu groß, als dass sich genug Ionen ausreichend frei bewegen könnten. Werden Salze geschmolzen, ändert sich das. Die Ionen sind nun nicht mehr so fest an ihren Nachbarionen gebunden und so können Salzschmelzen den elektrischen Strom durch Ionenleitung gut transportieren.
