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Elektrische Leiter und Nichtleiter

Elektrische Leiter und Nichtleiter sind wichtige Konzepte in der Physik. Leiter wie Silber, Kupfer und Meerwasser haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufgrund freier Ladungsträger, während Nichtleiter wie Glas und Plastik den Strom fast gar nicht leiten. Entdecke ihre Anwendungen und führe spannende Experimente zur Leitfähigkeit durch! Interessiert? Weitere spannende Informationen findest du in diesem Text.

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Team Digital
Elektrische Leiter und Nichtleiter
lernst du in der Unterstufe 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse

Grundlagen zum Thema Elektrische Leiter und Nichtleiter

Nichtleiter und Leiter in der Physik

Hast du dich schon einmal gefragt, warum wir nichts vom Stromfluss bemerken, wenn wir ein Kabel anfassen, das in der Steckdose steckt? Das liegt daran, dass es elektrische Leiter und auch Nichtleiter gibt. Dazu lernst du im Folgenden mehr.

Was ist ein elektrischer Leiter?

Ein elektrischer Leiter ist per Definition ein Material, das elektrischen Strom sehr gut leitet. Man sagt auch, dass ein Leiter eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat.

Beispiele für elektrische Leiter sind:

  • Silber
  • Kupfer
  • Aluminium
  • Eisen
  • Meerwasser

Du siehst, dass es sich dabei häufig um Metalle handelt. Metalle haben nämlich viele freie Ladungsträger – in diesem Fall sind das die Elektronen. In einem geschlossenen Stromkreis dienen die freien Ladungsträger dazu, den Strom zu transportieren.

Aber auch Flüssigkeiten können eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben. Diese ist deutlich niedriger als die von Metallen, aber immer noch viel größer als die von Nichtleitern. Wir haben hier als Beispiel Meerwasser aufgelistet. Meerwasser enthält viele Salze, die im Wasser sogenannte Ionen bilden. Auch die Ionen dienen als freie Ladungsträger und somit dem Stromtransport. Leitungswasser enthält deutlich weniger Salze als Meerwasser und hat dadurch eine wesentlich niedrigere elektrische Leitfähigkeit. Im destillierten Wasser sind nahezu keine Salze vorhanden, wodurch die Leitfähigkeit verschwindend gering ist.

Mehr zu Ladungsträgern und Stromtransport lernst du in den Videos zum Thema Stromstärke.

Was ist ein elektrischer Nichtleiter?

Du kannst dir jetzt vermutlich schon denken, was ein Nichtleiter ist. Er ist definiert als Material, das Strom nahezu gar nicht leitet. Die elektrische Leitfähigkeit wird zwar niemals null, ist aber so gering, dass man sie vernachlässigen kann.

Beispiele für Nichtleiter sind:

  • Glas
  • Keramik
  • Plastik
  • Gummi
  • Holz

Anders als Leiter enthalten Nichtleiter keine bzw. nahezu keine freien Ladungsträger. Die Ladungsträger sind meist an bestimmten Positionen im Material gebunden und daher nicht beweglich. Nichtleiter werden auch als Isolatoren bezeichnet, da man mit ihnen Stromflüsse unterbrechen bzw. Spannungen voneinander trennen kann.

Experimente zur Überprüfung der Leitfähigkeit

Wenn du überprüfen möchtest, ob ein Material ein Leiter oder ein Nichtleiter ist, dann kannst du dazu ein einfaches Experiment durchführen. Du benötigst nur eine Batterie, eine Glühlampe und drei Kabel. Du verbindest Batterie und Glühlampe, schließt den Stromkreis aber nicht: An die noch offenen Enden der Kabel kannst du nun zum Test verschiedene Gegenstände halten. Handelt es sich dabei um einen Leiter, leuchtet die Lampe. Bei einem Nichtleiter leuchtet sie nicht.

Wenn du zum Beispiel eine 5-Cent-Münze testest, siehst du, dass die Glühlampe leuchtet. Die Münze hat eine Kupferschicht, sie leitet also den Strom. Der Stromkreis ist geschlossen.

Einfaches Experiment zur Überprüfung der Leitfähigkeit

Anwendungen von Leitern und Nichtleitern

Jetzt ist dir vermutlich klar, warum ein Kabel von einer Gummischicht umgeben ist. Gummi ist ein Nichtleiter oder Isolator, durch dieses Material fließt also kein Strom. Daher können wir das Kabel problemlos anfassen. Vorsichtig sollte man jedoch dann sein, wenn das Gummi eine kaputte Stelle hat und die Gummischicht lückenhaft ist.

Isolatoren werden eigentlich überall da verwendet, wo kein Strom fließen soll. Zum Beispiel werden Freileitungen mithilfe von Isolatoren an ihren Masten befestigt, damit der Strom nicht in die Erde abfließt. Auch beim Bau von Sendemasten kommen Isolatoren zum Einsatz.

Genau andersherum verhält es sich natürlich mit elektrischen Leitern: Diese werden eingesetzt, um möglichst effizient Strom zu transportieren. Das kann zum Beispiel im Kabel selbst sein: Das Innere des Kabels, die Ader, besteht meist aus Kupfer. Freileitungen bestehen häufig aus Aluminium, da Aluminium deutlich leichter ist als Kupfer. Aber auch auf kleinen Computerchips gibt es Leiterstrukturen, zum Beispiel aus Gold.

2 Kommentare
2 Kommentare
  1. Hallo Frieda, danke für deine Rückmeldung. Wir haben zum Halbleiter/Dioden zahlreiche Videos auf unserer Seite. Du könntest deine Reise z. B. hier starten https://www.sofatutor.com/physik/videos/dioden-leds-und-transistoren-leitungsvorgaenge?launchpad=video. Viel Spaß. Deine Redaktion

    Von Martin Fuge, vor 6 Monaten
  2. Das alles ist gar nicht so unpraktisch aber wo finde ich Halbleiter oder Dioden? Macht dazu doch auch ein Video.

    Von Frieda, vor 6 Monaten

Elektrische Leiter und Nichtleiter Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektrische Leiter und Nichtleiter kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die elektrische Leitfähigkeit.

    Tipps

    Es gibt drei richtige Antworten.

    Das Metall Silber hat die größte elektrische Leitfähigkeit.

    Lösung

    Leitfähigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom oder Wärme zu leiten. In Bezug auf Elektrizität hängt die Leitfähigkeit von der Anzahl und Beweglichkeit der freien Ladungsträger im Material ab. Metalle sind typischerweise gute elektrische Leiter, da sie freie Elektronen enthalten, die sich leicht bewegen können. Auf der anderen Seite sind Isolatoren wie Gummi oder Kunststoffe schlechte Leiter, da sie wenige bis gar keine freien Ladungsträger haben.


    Folgende Aussagen über die elektrische Leitfähigkeit waren zu beurteilen:


    • Es handelt sich um eine Stoffeigenschaft.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Neben Farbe, Form, Dichte sowie Siede- und Schmelztemperatur ist auch die elektrische Leitfähigkeit eine Stoffeigenschaft.


    • Sie beschreibt die Eigenschaft eines Materials, elektrischen Strom zu leiten.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Es gibt eine ganze Reihe elektrisch leitfähiger Stoffe und die allermeisten davon sind Metalle.


    • Sie gibt an, ob ein Material Wärme leiten kann.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Eigenschaft aller Metalle.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Kupfer ist der zweitbeste Leiter nach Silber. Deshalb wird in den meisten Stromkabeln Kupfer verwendet, denn Silber wäre viel zu teuer für so eine Massenware.
  • Zeige auf, unter welchen Umständen elektrischer Strom geleitet wird und die Glühbirne somit leuchtet.

    Tipps

    Wenn Kochsalz $\ce{(NaCl)}$ in Wasser gegeben wird, dann entstehen $\ce{Na^+}$-Ionen und $\ce{Cl^-}$-Ionen.

    Ionen sind Ladungsträger und können zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen.

    Lösung

    Auch Wasser leitet Strom – allerdings nur unter bestimmten Voraussetzungen. Das lässt sich durch ein Experiment zeigen, mit dem die Leitfähigkeit von Wasser bestimmt werden kann.

    Mach das Experiment bitte nicht ohne Aufsicht nach!

    Eine Batterie, ein paar Kabel, ein Lämpchen und ein Becher Wasser werden zu einem kleinen Stromkreis zusammengesetzt, der über das Wasser geschlossen wird.
    Folgende Ergebnisse sind zu erwarten:

    • Mit reinem Wasser leuchtet das Lämpchen nicht, es wird kein Strom geleitet. Das liegt daran, dass sich keine Ionen im Wasser befinden, die den Strom leiten können.
    • Auch wenn Zucker in das Wasser gegeben wird, verändert sich die Leitfähigkeit nicht. Denn Zucker enthält keine Ionen.
    • Wird anstelle von Zucker jedoch etwas Salz in das Wasser getan, fängt die Lampe an zu leuchten. Das bedeutet, dass der Strom fließt. Das ist auf die enthaltenen Ionen im Salz zurückzuführen. Diese Ionen erhöhen die Anzahl der Ladungsträger im Wasser drastisch. Dadurch entsteht eine erhöhte Leitfähigkeit, da die freien geladenen Teilchen den elektrischen Strom tragen können.

    $\Rightarrow$ Je mehr Salz in das Wasser gestreut wird, umso heller leuchtet die Lampe: je mehr Ionen im Wasser, desto besser die elektrische Leitfähigkeit.

  • Vergleiche elektrische Leiter und Isolatoren.

    Tipps

    Jeder Kategorie werden vier Stoffe zugeordnet.

    Alle Metalle sind elektrische Leiter.

    Glas und Kunststoff leiten keinen elektrischen Strom.

    Lösung

    Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Stoffeigenschaft. Sie beschreibt die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten. Neben elektrischen Leitern gibt es auch Nichtleiter. Man nennt sie außerdem Isolatoren, da sie elektrischen Strom nicht leiten. Im Gegenteil: Sie schirmen leitfähige Teile von elektrischen Geräten und Kabeln ab.


    Alle Metalle sind elektrische Leiter, zum Beispiel:

    • Aluminium
    • Silber
    • Kupfer

    Aber auch das Material, aus dem Bleistiftminen bestehen, ist ein elektrischer Leiter:

    • Graphit

    Typische Vertreter für Isolatoren (Nichtleiter) sind:

    • Glas
    • Holz
    • Plastik
    • Gummi

  • Erkläre die elektrische Leitfähigkeit genauer.

    Tipps

    Nichtleiter werden auch Isolatoren genannt.

    Ionen sorgen dafür, dass elektrischer Strom geleitet wird.

    Lösung

    Neben elektrischen Leitern gibt es auch Nichtleiter. Durch solche Stoffe werden die leitfähigen Teile von elektrischen Geräten und Kabeln isoliert. Wären die Stromkabel nicht, beispielsweise von Gummi, ummantelt, würdest du jedes Mal einen Stromschlag bekommen, wenn du dir die Haare föhnen oder das Handy laden möchtest.

    Unser Körper besteht mindestens zu 50 Prozent aus Wasser. Das Wasser in unserem Körper enthält Salz. Dies wiederum besteht aus Ionen. Das sorgt dafür, dass elektrischer Strom geleitet werden kann. Diese Eigenschaft wird bei der Elektrotherapie genutzt, mit der Schmerzen gelindert und/oder die Durchblutung gefördert werden können.

  • Stelle das Experiment zur elektrischen Leitfähigkeit von Wasser dar.

    Tipps

    Zuerst setzen wir mit der Batterie, ein paar Kabeln, einem Lämpchen und einem Becher Wasser einen Stromkreis zusammen.

    Erst wenn wir etwas Salz in den Becher streuen, fängt die Lampe an zu leuchten.

    Lösung

    Auch Wasser leitet Strom – allerdings nur unter bestimmten Voraussetzungen. Das lässt sich durch ein Experiment zeigen, mit dem die Leitfähigkeit von Wasser bestimmt werden kann.

    1. Man nehme eine Batterie, ein paar Kabel, ein kleines Lämpchen und einen Becher Wasser.

    2. Die oben genannten Materialien werden zu einem kleinen Stromkreis zusammengesetzt, der über das Wasser geschlossen wird (einfach die freien Kabelenden in den Becher hängen).

    3. Aber zunächst leuchtet das Lämpchen nicht, es fließt also kein Strom. Das liegt daran, dass es sich um reines Wasser handelt. Darin sind keine Ionen enthalten.

    4. Durch Zugabe von Salz fängt die Lampe an zu leuchten. Je mehr Salz in das Wasser gestreut wird, umso heller leuchtet die Lampe: je mehr Ionen im Wasser, desto besser die elektrische Leitfähigkeit.

  • Begründe, wieso Vögel auf Hochspannungsleitungen im Gegensatz zu Gleitschirmfliegern vergleichsweise sicher sind.

    Tipps

    Strom kann nur dann fließen, wenn es sich um einen geschlossenen Stromkreis handelt.

    Die Masse der Vögel spielt keine Rolle.

    Lösung

    Die Sicherheit von Lebewesen in der Nähe von Hochspannungsleitungen wirft die Frage auf, warum Vögel vergleichsweise sicher auf diesen Leitungen landen können, während Gleitschirmflieger einem höheren Risiko ausgesetzt sind. Diese Diskrepanz könnte durch verschiedene Faktoren erklärt werden, die mit den Eigenschaften der Vögel und den Bedingungen des Gleitschirmfliegens in der Nähe von Hochspannungsleitungen zusammenhängen.


    Von den aufgelisteten Begründungen, wieso Vögel auf Hochspannungsleitungen im Gegensatz zu Gleitschirmfliegern vergleichsweise sicher sind, stimmt nur eine:


    • Vögel haben isolierende Federn, die sie vor Stromschlägen schützen, während Gleitschirmflieger keine vergleichbare Isolation besitzen.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Vögel sind aufgrund ihrer geringen Masse weniger anfällig für elektrische Spannung als Gleitschirmflieger.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Vögel haben eine spezielle sensorische Fähigkeit, die es ihnen ermöglicht, elektrische Felder zu spüren und ihnen auszuweichen, während Gleitschirmflieger diese Fähigkeit nicht besitzen.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Vögel berühren nicht gleichzeitig zwei Leitungen mit unterschiedlichen Spannungen, während Gleitschirmflieger durch ihre Ausrüstung einen Stromkreis schließen könnten.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.