Leitfähigkeit

Leitfähigkeit, oft auch elektrische Leitfähigkeit genannt, beschreibt die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten. Sie ist der Kehrwert der spezifischen elektrischen Widerstands (Leitwert) bzw. der spezifischen Widerstandsfähigkeit. In der Praxis wird die Leitfähigkeit durch das Symbol σ dargestellt und in der Einheit Siemens pro Meter (S/m) gemessen. Die grundlegende Beziehung lautet σ = 1/ρ, wobei ρ der specific resistivity (Ω·m) entspricht.

Ursachen und Mechanismen der Leitfähigkeit unterscheiden sich je nach Material. In Metallen erfolgt der Stromtransport vor allem durch freie Elektronen. In Elektrolyten und Elektrolytenlösungen tragen Ionen den Strom, während in Halbleitern Elektronen und Elektronenlöcher beteiligt sind, deren Anteil durch Temperatur und Dotierung beeinflusst wird. Die Leitfähigkeit hängt wesentlich von der Ladungsträgerdichte und deren Beweglichkeit ab.

Temperatur-, Frequenz- und Umgebungsabhängigkeiten spielen eine zentrale Rolle. Bei Metallen nimmt σ mit steigender Temperatur in der Regel ab, da Streuung der Elektronen an zunehmenden Gitterschwingungen zunimmt. Bei Halbleitern erhöht sich σ oft mit Temperatur, da mehr Ladungsträger erzeugt werden. Die Leitfähigkeit hängt außerdem von der Frequenz ab, insbesondere bei Wechselstrom; in manchen Materialien ist σ frequenzabhängig und wird durch die komplexe Leitfähigkeit beschrieben.

Typische Anwendungen umfassen die Materialcharakterisierung, Qualitätssicherung, Sensorik und die Messung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten (Wasserqualität, Elektrolyte) oder Halbleitern. Messmethoden reichen von vierpunkt- bzw. Impedanzmessungen bis zu spezialisierte Leitwertmessgeräte.