Elektrische Eigenschaften von Werkstoffen

Elektrische Eigenschaften von Werkstoffen sind entscheidend für die Auslegung und Funktion elektrischer und elektronischer Bauteile. Unter dem Begriff „elektrisch“ bzw. „Electricals“ werden in der Werkstofftechnik alle Phänomene zusammengefasst, die mit Ladungstransport, Feldverteilung und Wechselwirkungen von elektrischen Feldern mit Materie verbunden sind.

Zentrale Kenngrößen sind die elektrische Leitfähigkeit (bzw. der spezifische Widerstand), die Dielektrizitätskonstante, der Verlustfaktor sowie die Durchschlagsfestigkeit. Leitfähigkeit resultiert aus der Beweglichkeit freier Ladungsträger (Elektronen, Ionen, Löcher) und hängt stark von der elektronischen Struktur, der Defektdichte, der Mikrostruktur sowie der Temperatur ab. Metalle sind typische Leiter, Keramiken meist Isolatoren, während Halbleiter eine zwischengeschaltete, gezielt einstellbare Leitfähigkeit besitzen.

Dielektrische Eigenschaften beschreiben die Polarisierbarkeit eines Werkstoffs in einem elektrischen Feld. Sie bestimmen Kappazität, Feldverteilung und Verluste in Isolierstoffen und Einflussgrößen wie Frequenz, Temperatur und Feuchte. Die elektrischen Stromwirkungen umfassen Joulesche Erwärmung, Elektromigration, elektrochemische Reaktionen und Alterungsprozesse, die die Zuverlässigkeit von Bauteilen limitieren.

Für die technische Anwendung werden Werkstoffe in elektrische Leiter, Halbleiter, Isolatoren und funktionale Materialien wie piezoelektrische, ferroelektrische oder ionenleitende Festkörper eingeteilt. Ein präzises Verständnis der elektrischen Eigenschaften ist Voraussetzung für das Design von Energieübertragungssystemen, Mikroelektronik, Sensorik und leistungsfähigen Isolationssystemen.

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