Nichtleiter

Nichtleiter sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit mit weniger als 10⁻⁸ S·m⁻¹ verschwindend gering und somit nicht nenneswert ist und unterhalb der von Halbleitern liegt. Wird der Begriff in der Physik für beliebige Materialien wie auch Gase und das Vakuum benutzt, so beschränkt man sich in der Technik meist auf Festkörper.

Andere teilweise synonymische Bezeichnungen sind Isolator und Dielektrikum. Dabei ist zu beachten, dass der Begriff Isolator neben der hier beschrieben Materialeigenschaft auch ein isolierendes Bauteil bezeichnet, siehe Isolator. Dienen Nichtleiter zur Isolation von elektrischen Leitern, 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.

Physikalische Eigenschaften

Nichtleiter sind Stoffe, deren Elektronen fest an die Atome gebunden sind bzw. deren Ionen fest im Kristallgitter eingebaut sind. 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 10⁻¹⁰ bis 10⁻¹⁸ 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 Diamant 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 (E_G>3 eV), können keine Elektronen durch thermische Anregung ins Leitungsband wechseln. Auch bei stark erhöhten Temperaturen, bei denen die mittlere Energie der Elektronen theoretisch ausreichen würde um ins Leitungsband zu wechseln, tritt dies nicht ein. Eher kommt es 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 Elektronen auch bei geringen Temperaturen vom Valenzband in das Leitungsband angeregt werden können und somit für den Ladungstransport zur Verfügung stehen. Der Grenzbereich zwischen Nichtleitern und Halbleitern liegt bei einer ungefähren Energielücke von drei Elektronenvolt.

Trotz ihrer Benennung können alle als „Nichtleiter“ bezeichneten Stoffe oder Materialien mit ausreichend viel Energie zumindest kurzfristig zum Leiten von (höheren bzw. hohen) elektrischen Strömen gebracht werden, was allerdings häufig zu deren Zerstörung führt. Siehe dazu: Isolator: Überlastungsschäden.

Beispiele

Es gibt unzählige Beispiele für Nichtleiter, einer der bekanntesten Vertreter ist reiner Kohlenstoff in der Modifikation Diamant. Zahlreiche Kohlenstoffverbindungen sind Nichtleiter, 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 leiten, dafür verantwortlich, dass diese leitend 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 einzelne Ionen 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 transportieren.