Warum ist Kupfer ein guter Stromleiter?

Ist Ihnen aufgefallen, dass elektrische Leitungen hauptsächlich aus Kupfer bestehen? Das liegt an der hervorragenden Leitfähigkeit von Kupfer. Kupfer leitet Strom. Daher werden Kupferleitungen sowohl im kleinen als auch im großen Maßstab verwendet. Die Frage ist jedoch: Warum ist Kupfer ein guter Stromleiter?

 

Was macht Kupfer zu einem guten Leiter und damit zu einer überlegenen Option? Es gibt andere Materialien zur Herstellung von Leitungen, wie Messing und Aluminium. Kupfer wird jedoch immer bevorzugt. Warum ist das so? In diesem Artikel erkläre ich die Logik hinter der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer. Sie erfahren, warum Kupfer anderen Materialien vorgezogen wird. Also, los geht‘s!

 

Warum ist Kupfer ein guter Stromleiter?

 

Die Logik hinter der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer liegt in seinen freien Elektronen. Kupfer hat ein einziges Valenzelektron. Zudem sind die Anziehungskräfte zwischen dem Kupferkern und den Valenzelektronen sehr gering. Dieses Elektron ist daher schwach gebunden und kann sich frei bewegen. Dadurch bewegt es sich und ermöglicht den Stromfluss.

 

Jedes Atom besteht aus einer unterschiedlichen Anzahl von Elektronen. Diese Elektronen befinden sich in ihren Schalen. Jede dieser Schalen hat ihre spezifische Grenze. Kupfer enthält 29 der gesamten Elektronen. Die Verteilung dieser Elektronen in den Schalen ist wie folgt:

1. Schale (K-Schale) = 2 Elektronen

2. Schale (L-Schale) = 8 Elektronen

3. Schale (M-Schale) = 18 Elektronen

4. Schale (N-Schale) = 1 Elektron

 

Wie Sie sehen, enthält die 4. Schale nur ein Elektron. Dieses Elektron in der äußersten Schale wird Valenzelektron genannt. Die 1. Schale befindet sich in der Nähe des Atomkerns. Nach oben hin entfernt sich die Schale immer weiter vom Atomkern. Bei Kupferatomen ist die 4. Schale am weitesten vom Atomkern entfernt. Im Allgemeinen zieht der Atomkern die Elektronen an.

 

Aufgrund des Abstands zwischen Kern und 4. Schale kann dieser das Valenzelektron jedoch nicht stark anziehen. Dadurch bewegt sich ein einzelnes Valenzelektron ungehindert. Wird ein elektrisches Feld angelegt, bewegt sich dieses Valenzelektron, wodurch der Strom durch Kupfer fließen kann. Der geringe Widerstand von Kupfer ist ein weiterer Vorteil.

 

Kurzfassung: Ein Elektron kollidiert bei seiner Bewegung mit einem anderen. Dieser Stoß induziert die Bewegung des zweiten Elektrons. Dies geschieht in einer Kette, wenn ein elektrisches Feld oder eine Spannung angelegt wird. Dadurch kann der Strom leicht von einem Ende zum anderen fließen. Die Bewegung der Valenzelektronen verursacht diese Kette beweglicher Elektronen.

 

Faktoren, die die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer beeinflussen

Kupfer weist im Allgemeinen einen sehr geringen elektrischen Widerstand auf. Dies führt zu einem gleichmäßigen Stromfluss in diesen Materialien. Einige Faktoren erhöhen jedoch den Widerstand und beeinträchtigen die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Lassen Sie uns jeden dieser Faktoren und ihren Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer näher betrachten.

 

1. Temperatur

 

Eine steigende Temperatur verringert die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Wie? Weil eine steigende Temperatur die Schwingung zwischen den Elektronen verstärkt. Diese Schwingung führt zu einer Kollision der Elektronen. Dadurch bewegen sie sich in zufällige Richtungen. Diese zufällige Elektronenbewegung erhöht den Widerstand gegen den Stromfluss.

 

Umgekehrt hält eine sinkende Temperatur die Elektronen stabil. Es gibt keine zufällige Elektronenbewegung, die den Widerstand erhöhen könnte. Der Strom kann also problemlos fließen. Man könnte sagen, dass Elektronenkollisionen auch beim Anlegen eines Elektronenfeldes auftreten. Das stimmt, aber diese Kollision ist geordneter, nicht zufällig.

 

Kurzfassung: Wenn sich ein Valenzelektron aufgrund der angelegten Spannung bewegt, trifft es nacheinander auf ein anderes Elektron. Diese Kette ist geordneter als unkontrollierte Kollisionen. Unterkühlte Kupferdrähte (-273,15 °C bzw. 0 K) bieten im Allgemeinen keinen Widerstand und haben eine ideale elektrische Leitfähigkeit.

 

2. Verunreinigungen und Legierungselemente

 

Die in Kupfer vorhandenen Verunreinigungen können die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen. Kupfer kann zudem mit Legierungselementen vermischt sein. Diese Elemente können die Leitfähigkeit ebenfalls verringern. Kupfer in reiner Form hat einen geringen Widerstand. Verunreinigungen erhöhen diesen jedoch.

 

Das bedeutet, dass Strom zwar fließen kann, aber Energie verloren geht, um den Widerstand zu überwinden. Dies führt zu einer weniger gleichmäßigen oder effizienten elektrischen Leitfähigkeit. Beispielsweise verringern Verunreinigungen wie Nickel oder Arsen die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Auch die Eigenschaften der Legierungselemente spielen eine Rolle. Leitet ein Legierungselement Strom, verringert es nicht die Leitfähigkeit des Kupfers und umgekehrt.

 

3. Mechanische Belastung und Verformung

 

Wenn Kupfer Spannungen ausgesetzt ist, verändert und verringert sich seine elektrische Leitfähigkeit. Der Grund dafür ist, dass Spannungen die atomare Struktur der Atome zerstören. Nehmen wir beispielsweise Kupfer, das Sie kräftig hämmern. Durch das Hämmern verformt sich das Kupfer.

 

Seine Atomstruktur wird zerstört, was die Ausrichtung der Elektronen beeinflusst. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes bewegen sich Valenzelektronen. Die Bewegung anderer Elektronen kann jedoch nicht effektiv angeregt werden. Der Stromfluss ist daher beeinträchtigt.

 

Elektrische Leitfähigkeit von Kupfer im Vergleich zu Silber und Aluminium

In der Regel werden Silber, Kupfer und Aluminium für Elektrogeräte verwendet. Doch welche dieser Materialien bieten die ideale Leitfähigkeit für Drähte? Lassen Sie uns das herausfinden.

 

Unter diesen drei Materialien steht Silber an der Spitze. Es bietet eine außergewöhnliche Leitfähigkeit, da der Strom ungehindert fließt. Mit einem spezifischen Widerstand von 1,59 × 10⁻⁸ Ω·m eignet es sich ideal für Drähte. Silber wird jedoch nicht zur Herstellung von Drähten verwendet. Warum? Weil es ein hochwertiges und sehr teures Material ist. Aufgrund seiner höheren Kosten ist es für den Einsatz in Kabeln ungeeignet.

 

Kupfer belegt den zweiten Platz. Es hat einen spezifischen Widerstand von 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m. Dieses Material wird häufig zur Herstellung von Drähten und anderen Elektrogeräten verwendet. Warum? Weil es erschwinglich ist. Kupferdrähte sind kostengünstig und bieten gleichzeitig eine ideale Leitfähigkeit. Aluminium liegt mit einem höheren spezifischen Widerstand von 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m an dritter Stelle.

 

Interessanterweise besitzen sowohl Kupfer als auch Aluminium ein Valenzelektron. Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium ist im Vergleich zu Kupfer jedoch geringer. Der Grund dafür ist, dass Aluminium insgesamt 13 Elektronen besitzt. Ihre Valenzschale befindet sich relativ näher am Atomkern. Kupfer hingegen besitzt 29 Elektronen und nutzt vier Schalen. Drei Valenzelektronen sind weit vom Atomkern entfernt.

 

Bei Aluminium zieht der Atomkern die Valenzelektronen aufgrund der geringeren Distanz stark an. Dadurch kann sich das Elektron im Gegensatz zum Valenzelektron von Kupfer nicht frei bewegen. Daher ist Kupfer elektrisch leitfähiger und wird häufig in Drähten verwendet. Auch Aluminiumdrähte sind erhältlich, ihre elektrische Leistung ist jedoch geringer als die von Kupferdrähten.

 

Wie beeinflusst die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer die CNC-Bearbeitung?

Die höhere elektrische Leitfähigkeit von Kupfer hat keinen direkten Einfluss auf die CNC-Bearbeitung. Sie bietet jedoch indirekt einige Vorteile bei der Bearbeitung.

 

Kupfer verfügt über frei bewegliche Elektronen. Dies verbessert sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit. Dank der besseren Wärmeleitfähigkeit kann das Material Wärme schnell ableiten. Beim CNC-Bearbeiten erzeugen die Schneidwerkzeuge Wärme. Kupfer leitet diese effizient ab und verhindert so Überhitzung.

 

Wenn Kupfer keine Wärme ableitet, ist die CNC-Bearbeitung zeitaufwändig. Sie müssen langsam schneiden und der Wärme Zeit zum Ableiten geben. Die elektrische Leitfähigkeit hat jedoch keinen direkten Einfluss auf die CNC-Bearbeitung von Kupfer.

 

Häufig gestellte Fragen

 

Ist Kupfer der beste Stromleiter?

Silber hat eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer. Es ist jedoch teuer und wird in Elektrogeräten nicht verwendet. Kupfer ist nach Silber die leitfähigste und praktischste Option für Drähte. Es ist erschwinglich und überall lesbar.

 

Wie schneiden Aluminiumleitungen im Vergleich zu Kupfer ab?

Kupferleitungen gelten als besser als Aluminium. Aluminium hat weniger elektrische Leiter als Kupfer und bietet zudem einen höheren Widerstand gegen den Stromfluss. Aluminiumleitungen werden zwar weiterhin verwendet, sind aber immer groß genug, um Strom effektiv zu leiten.

 

Warum ist Kupferleitung gut für die Stromübertragung?

Kupfer hat frei bewegliche Elektronen in seiner Valenzschale. Diese Elektronen können den Strom leicht weiterleiten und machen Kupfer elektrisch leitfähig. Kupfer bietet außerdem einen sehr geringen Widerstand. Daher werden Kupferleitungen bevorzugt für die Stromübertragung verwendet.

 

Fazit

 

Kupfer ist ein sehr beliebtes Material in verschiedenen Branchen. Hersteller verwenden CNC-Maschinen zum Schneiden und Formen von Kupfer, um vielfältige Produkte herzustellen. Eine der beliebtesten Anwendungen von Kupfer ist die Herstellung von Drähten und elektrischen Komponenten. Da Kupfer zur Herstellung von Drähten verwendet wird, ist es elektrisch leitfähig. Viele wissen jedoch nicht, warum und wie Kupfer Strom leitet.

 

In diesem Artikel habe ich die Logik hinter der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer erläutert. Sie erfahren auch, wie es im Vergleich zu anderen Materialien wie Aluminium und Silber abschneidet. Kurz gesagt: Kupfer hat freie Valenzelektronen, die schwach an den Kern gebunden sind. Die freie Bewegung der Elektronen ermöglicht den Stromfluss. Ich hoffe, dieser Artikel hilft Ihnen, die Logik hinter der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer zu verstehen.