Leitfähigkeit in Metall ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärme oder Elektrizität (oder Schall) zu übertragen. Der Kehrwert der Leitfähigkeit ist der Widerstand, d. h. die Fähigkeit, den Fluss dieser Stoffe zu verringern.
Die Kenntnis der Leitfähigkeit eines Materials kann ein entscheidender Faktor bei der Auswahl dieses Materials für eine bestimmte Anwendung sein. Einige Materialien werden ausgewählt, weil sie leicht Elektrizität (z. B. Drähte) oder Wärme (z. B. Rippen oder Rohre in einem Heizkörper oder Wärmetauscher) leiten. Für andere Anwendungen (wie z. B. Isolierung) werden Materialien ausgewählt, weil sie nicht besonders gut leiten.
Reine Metalle bieten in der Regel die beste Leitfähigkeit. In den meisten Metallen schränken Verunreinigungen den Elektronenfluss ein. Im Vergleich zu reinen Metallen könnten also Elemente, die als Legierungsmittel hinzugefügt werden, als „Verunreinigungen“ betrachtet werden. Daher haben Legierungen in der Regel eine geringere elektrische Leitfähigkeit als reines Metall. Wenn andere Eigenschaften, die durch das Legieren erzielt werden, erforderlich sind (z. B. zusätzliche Härte oder Festigkeit), ist es wichtig, die Legierungszusätze so zu wählen, dass sie die Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinträchtigen, wenn diese ebenfalls wichtig ist.
Metalle leiten Elektrizität, indem sie freien Elektronen erlauben, sich zwischen den Atomen zu bewegen. Diese Elektronen sind nicht mit einem einzelnen Atom oder einer kovalenten Bindung verbunden. Da sich gleiche Ladungen gegenseitig abstoßen, verdrängt die Bewegung eines freien Elektrons innerhalb des Gitters die des nächsten Atoms, und der Vorgang wiederholt sich – in Richtung des Stroms, zum positiv geladenen Ende hin.
Die thermische Leitfähigkeit ähnelt der elektrischen insofern, als die Anregung von Atomen in einem Abschnitt dazu führt, dass benachbarte Atome angeregt werden und vibrieren. Diese Bewegung oder kinetische Energie – nicht unähnlich dem Aneinanderreiben der Hände, um sich zu erwärmen – ermöglicht es der Wärme, sich durch das Metall zu bewegen. Legierungen, die aus einer Kombination verschiedener Metallelemente bestehen, haben in der Regel eine geringere Wärmeleitfähigkeit als reine Metalle. Atome mit unterschiedlicher Größe oder unterschiedlichem Atomgewicht schwingen unterschiedlich schnell, was das Muster der Wärmeleitfähigkeit verändert. Je weniger Energie zwischen den Atomen übertragen wird, desto geringer ist die Wärmeleitfähigkeit.
Reines Silber und Kupfer haben die höchste Wärmeleitfähigkeit, Aluminium die niedrigste. Rostfreie Stähle haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Einige Materialien, darunter Kupfer, leiten sowohl Wärme als auch Elektrizität gut. Andere, wie z. B. Glas, leiten zwar Wärme, aber keine Elektrizität.
Wie wir bereits festgestellt haben, ist die Wahl des Metalls für eine bestimmte Anwendung wahrscheinlich mit Kompromissen verbunden. Betrachten wir zum Beispiel die Wahl des Metalls für Kochgeschirr. Aluminium ist zwar ein guter Wärmeleiter, aber Kupfer leitet die Wärme besser und ermöglicht ein schnelleres und gleichmäßigeres Garen – wenn Sie eine schnelle Mahlzeit zubereiten wollen. Aber Kupfer ist viel teurer. Aus diesem Grund bestehen alle Kochgeschirre außer den hochwertigsten aus Aluminium oder Aluminium mit einer Beschichtung oder Verkleidung (Aluminium reagiert auf salzige und säurehaltige Lebensmittel) und nicht aus dem teureren Kupfer. Kupfer mit einer Beschichtung aus rostfreiem Stahl wäre eine weitere Wahl.
Wie bei den meisten dieser Anwendungen kann der Metallurge in Ihrer Nähe dabei helfen, eine kosteneffiziente Entscheidung über die Wahl der Legierung zu treffen – für Leitfähigkeit oder fast jede andere gewünschte Leistung.