Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Stoffeigenschaft, die angibt, wie gut ein Werkstoff elektrischen Strom leitet, und sie ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands. Sie wird durch das Formelzeichen σ (Sigma) oder κ (Kappa) dargestellt. Die Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist Siemens pro Meter (S/m). Geglühtes Kupfer erreicht nach dem Deutschen Kupferinstitut 57 MS/m, also 57 Millionen S/m, eine Polyimidfolie wie Kapton HN nach dem Datenblatt von DuPont rund 7 · 10⁻¹⁶ S/m. Zwischen dem besten Leiter und dem besten Isolierstoff liegen damit rund 24 Zehnerpotenzen. Dieser Beitrag liefert die Tabelle für Metalle, Legierungen und Isolierstoffe mit Quelle je Wert, erklärt die Umrechnung zwischen S/m, % IACS und Ω·cm und zeigt, warum Kupfer bei Wärme schlechter leitet, während die Isoliermaterialien in derselben Wicklung leitfähiger werden.
Formel und Einheit: von Siemens pro Meter bis % IACS
Die Grundgleichung verknüpft Stromdichte J und elektrische Feldstärke E: J = σ · E. Für die Praxis reicht die Form mit dem spezifischen Widerstand ρ: σ = 1 / ρ. Wer einen Leiter mit Länge l und Querschnitt A misst, rechnet aus Strom und Spannung zuerst den Leitwert G = I / U und daraus σ = G · l / A. Die SI-Einheit S/m ist gleichbedeutend mit 1 / (Ω · m).
In Datenblättern steht die Leitfähigkeit selten in reinen S/m. Metallhersteller nennen MS/m oder den Prozentwert gegenüber dem internationalen Kupferstandard IACS, Wasseranalytik rechnet in µS/cm, und Hersteller von Isolierstoffen geben den Durchgangswiderstand in Ω·cm an. Die Tabelle übersetzt die gängigen Angaben:
| Angabe im Datenblatt | Umrechnung in S/m | Typisch für |
|---|---|---|
| 1 MS/m | 10⁶ S/m, zahlengleich mit 1 m/(Ω·mm²) | Kupfer, Aluminium, Messing |
| 100 % IACS | 58 · 10⁶ S/m | Bezugswert für geglühtes Kupfer |
| 1 S/cm | 100 S/m | Elektrolyte, Halbleiter |
| 1 µS/cm | 10⁻⁴ S/m | Trinkwasser, Prozesswasser |
| ρ in Ω·cm | σ = 100 / ρ | Durchgangswiderstand von Folien und Papieren |
| ρ in Ω·mm²/m | σ = 10⁶ / ρ | Leiterwerkstoffe, Drähte |
Die letzte Zeile erklärt, warum sich Kupferwerte so leicht merken lassen: Ein Kupferdraht von 1 m Länge und 1 mm² Querschnitt hat bei 57 MS/m einen Widerstand von 0,0175 Ω. Das Kupferinstitut nennt für Cu-ETP genau diesen spezifischen Widerstand von 0,018 Ω·mm²/m. Neben σ und κ ist in älteren Lehrbüchern auch γ (Gamma) als Formelzeichen üblich, gemeint ist immer dieselbe Größe.
Was ist der Unterschied zwischen Leitwert und spezifischer Leitfähigkeit?
Der Leitwert G beschreibt ein konkretes Bauteil, die spezifische Leitfähigkeit σ den Werkstoff. G wird in Siemens (S) angegeben und hängt von der Geometrie ab: Ein doppelt so langer Draht hat den halben Leitwert, ein doppelt so dicker den doppelten. Die spezifische Leitfähigkeit ist davon unabhängig und gilt für jedes Stück Cu-ETP gleich. Der 1-mm²-Draht aus dem Beispiel oben hat bei 1 m Länge einen Leitwert von 57 S, bei 10 m nur noch 5,7 S, seine spezifische Leitfähigkeit bleibt 57 MS/m. Spezifischer Leitwert und spezifische Leitfähigkeit sind zwei Namen für dieselbe Stoffgröße.
Elektrische Leitfähigkeit Tabelle: Metalle, Legierungen und Isolierstoffe
Die Tabelle stellt Leiter und Isolierstoffe auf eine gemeinsame Skala, alle Werte bei 20 bis 25 °C. Für Isolierstoffe ist der Durchgangswiderstand aus dem Herstellerdatenblatt nach der Formel oben in S/m umgerechnet.
| Werkstoff | Leitfähigkeit in S/m | Anteil IACS | Quelle |
|---|---|---|---|
| Silber | 61 bis 63 · 10⁶ | rund 106 % | Wikipedia, Studyflix |
| Kupfer Cu-ETP, geglüht | 57 · 10⁶ (Minimum) | rund 98 % | Deutsches Kupferinstitut |
| Kupfer Cu-ETP, kaltumgeformt | 55 bis 57 · 10⁶ | 95 bis 98 % | Deutsches Kupferinstitut |
| Kupfer Cu-DHP (phosphordesoxidiert) | 47 · 10⁶ | 81 % | KME |
| Gold | 41 bis 45 · 10⁶ | 71 bis 78 % | Wikipedia, Studyflix |
| Aluminium EN AW-1350 | 35,5 bis 37 · 10⁶ | 61 bis 62 % | Aerumtec, Rapid Protos |
| Aluminium 6061-T6 | 23 bis 25 · 10⁶ | 40 bis 43 % | Rapid Protos |
| Messing CuZn37, weich | mindestens 16 · 10⁶ | mindestens 28 % | Aurubis |
| Eisen | 10 · 10⁶ | rund 17 % | Wikipedia, Formfedern |
| Edelstahl 1.4301 | 1,4 · 10⁶ | rund 2,4 % | Studyflix, Wikipedia |
| Graphit, parallel zur Schicht | 2 bis 3 · 10⁵ | unter 1 % | Wikipedia |
| Meerwasser | rund 5 | Wikipedia | |
| Leitungswasser | 5 · 10⁻³ bis 5 · 10⁻² | Wikipedia | |
| Silizium, rein | 4 bis 5 · 10⁻⁴ | Wikipedia | |
| Reinstwasser | 5,5 · 10⁻⁶ | Wikipedia | |
| Glas | 10⁻¹⁵ bis 10⁻¹¹ | Wikipedia | |
| Aramidpapier Nomex 410, 50 % Luftfeuchte | 5 · 10⁻¹⁵ | Arclin (2 · 10¹⁶ Ω·cm) | |
| Polyimidfolie Kapton HN, 25 µm | 7 · 10⁻¹⁶ | DuPont (1,5 · 10¹⁷ Ω·cm) | |
| Polyesterfolie Mylar (PET) | 10⁻¹⁶ | DuPont (10¹⁸ Ω·cm) | |
| PTFE | unter 10⁻¹⁶ | Wikipedia |
Wer mehrere Tabellen vergleicht, findet für Kupfer Werte zwischen 57 und 64,8 MS/m. Die Streuung hat drei Ursachen. Erstens die Bezugstemperatur: Seilnacht misst bei 0 °C und kommt auf 64,8 MS/m, die meisten Quellen beziehen sich auf 20 °C. Zweitens der Zustand: Kaltverformung senkt die Leitfähigkeit von Cu-ETP auf 55 bis 57 MS/m. Drittens die Sorte: Schon 0,015 bis 0,04 % Phosphor drücken Cu-DHP auf 47 MS/m. Für eine Anfrage heißt das: Nennen Sie Werkstoffnummer und Zustand, nicht nur das Wort Kupfer.
Die Werte je Werkstoff und was sie in der Praxis bedeuten
Silber
Silber ist mit 61 bis 63 MS/m der beste metallische Leiter, rund 6 % besser als Kupfer. Als Massivleiter lohnt es sich wegen des Preises fast nie. Es sitzt als dünne Schicht auf Kontakten und als Beschichtung auf leitfähigen Geweben, wie sie in der EMV-Abschirmung verwendet werden.
Kupfer
Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer liegt für die Elektrotechnik-Sorte Cu-ETP bei mindestens 57 MS/m im geglühten Zustand, 100 % IACS entsprechen 58 MS/m. Dieser Wert gilt für elektrolytisch raffiniertes, sauerstoffhaltiges Kupfer mit mindestens 99,9 % Cu. Die phosphordesoxidierte Sorte Cu-DHP ist besser lötbar und schweißbar, leitet aber nur 47 MS/m. KME schreibt dazu selbst, dass sie dort eingesetzt wird, wo an die Leitfähigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden. Für Stromschienen, Wicklungen und Kupferfolie ist Cu-ETP die Standardwahl.
Aluminium
Leitaluminium EN AW-1350 erreicht 35,5 bis 37 MS/m, also 61 bis 62 % von Kupfer. Für denselben Widerstand braucht ein Aluminiumleiter deshalb den rund 1,6-fachen Querschnitt, wiegt aber wegen der Dichte von 2,7 statt 8,93 g/cm³ nur etwa die Hälfte. Legierungen verlieren deutlich: 6061-T6 liegt bei 23 bis 25 MS/m. Eine eloxierte Oberfläche isoliert, Kontaktflächen müssen blank bleiben. Was das für Motor- und Trafowicklungen bedeutet, steht im Vergleich Kupferwicklung vs. Aluminiumwicklung.
Messing und Bronze
Zink und Zinn senken die Leitfähigkeit von Kupfer stark. Aurubis gibt für CuZn37 im weichen Zustand mindestens 16 MS/m an, rund ein Viertel von Reinkupfer. Messing wählt man für Steckverbinder und Schraubklemmen wegen Festigkeit und Bearbeitbarkeit, der Strom fließt dort über kurze Wege, sodass die geringere Leitfähigkeit wenig kostet.
Eisen und Edelstahl
Reines Eisen leitet mit rund 10 MS/m etwa ein Sechstel so gut wie Kupfer. Austenitischer Edelstahl 1.4301 fällt auf rund 1,4 MS/m, weil Chrom und Nickel das Kristallgitter stören. Für Kontaktflächen und Stromschienen ist Edelstahl deshalb die falsche Wahl, auch wenn er als Gehäusewerkstoff elektrisch angebunden wird.
Wasser
Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser hängt fast nur von den gelösten Salzen ab. Reinstwasser liegt bei 5,5 · 10⁻⁶ S/m, Leitungswasser bei 5 · 10⁻³ bis 5 · 10⁻² S/m, Meerwasser bei rund 5 S/m. Für Isolierteile zählt Wasser als Störgröße: Schon ein Feuchtefilm auf der Oberfläche senkt den Oberflächenwiderstand eines Isolierstoffs um Zehnerpotenzen.
Warum Kupfer bei Wärme schlechter leitet und Isolierstoffe besser
In Metallen tragen freie Elektronen den Strom. Steigt die Temperatur, schwingen die Atome im Gitter stärker und bremsen die Elektronen. Das Kupferinstitut zeigt den Verlauf für geglühtes Cu-ETP:
| Temperatur | Leitfähigkeit Cu-ETP | gegenüber 20 °C |
|---|---|---|
| −100 °C | 110 MS/m | fast doppelt |
| 20 °C | 57 MS/m | Bezugswert |
| 100 °C | 43 MS/m | ein Viertel weniger |
| 200 °C | 33 MS/m | 42 % weniger |
| 300 °C | 24 MS/m | 58 % weniger |
Zwischen −100 und 200 °C lässt sich das mit dem Temperaturkoeffizienten rechnen: ρ(T) = ρ₂₀ · (1 + α · (T − 20 °C)), mit α = 0,00393 pro Kelvin für geglühtes und 0,00381 für kaltumgeformtes Kupfer. Eine Motorwicklung, die bei 20 °C ausgelegt wurde und bei 100 °C läuft, hat rund 31 % mehr Widerstand und erzeugt entsprechend mehr Wärme nach dem Jouleschen Gesetz.
Isolierstoffe verhalten sich umgekehrt, und das ist die Zahl, die in keiner Schultabelle steht. Sie haben kaum freie Ladungsträger, der kleine Reststrom stammt aus Ionen und Verunreinigungen, die mit der Wärme beweglicher werden. DuPont gibt für Mylar-Polyesterfolie einen Durchgangswiderstand von 10¹⁸ Ω·cm bei 25 °C an und 10¹³ Ω·cm bei 150 °C. Die Leitfähigkeit steigt also um fünf Zehnerpotenzen, während Kupfer im selben Bereich ein Drittel verliert. Kapton HN hält bei 200 °C nach Spezifikation mindestens 10¹² Ω·cm. Feuchte wirkt genauso: Nomex 410 fällt nach Arclin von 6 · 10¹⁶ Ω·cm im ofentrockenen Zustand auf 2 · 10¹⁴ Ω·cm bei 96 % Luftfeuchte.
Für die Konstruktion folgt daraus eine Regel: Vergleichen Sie Isolierstoffe bei Betriebstemperatur und realer Feuchte. Der Raumtemperaturwert aus der Tabelle schmeichelt jedem Werkstoff. Genau dort misst die Prüfung den Isolationswiderstand einer Wicklung, und dort entscheidet die Isolierstoffklasse, welcher Werkstoff noch ausreichend Reserve hat.
Elektrische Leitfähigkeit von Kunststoffen und Isolierstoffen
Für Kunststoffe gibt kaum ein Hersteller die Leitfähigkeit direkt an. Im Datenblatt steht der Durchgangswiderstand, gemessen nach ASTM D257 an einer Probe zwischen zwei Elektroden mit Schutzring, und separat der Oberflächenwiderstand in Ω. Für die Einordnung antistatischer und leitfähiger Werkstoffe nutzt die ESD-Norm IEC 61340 drei Bereiche des Widerstands:
- leitfähig unter 10⁵ Ω, etwa Metalle und leitfähige Polymere
- ableitfähig von 10⁵ bis 10¹¹ Ω, der klassische ESD-Bereich für Verpackungen und Matten
- isolierend über 10¹¹ Ω, also alle Standardkunststoffe, Glas und Keramik
Mylar-Folie erreicht nach DuPont einen Oberflächenwiderstand von 10¹⁶ Ω bei 30 % Luftfeuchte und 10¹² Ω bei 80 %. Sie bleibt also auch feucht über der Grenze, aber mit nur noch einer Zehnerpotenz Abstand. Warum unpolare Kunststoffe wie PE und PTFE besser isolieren als polare wie Polyamid und wie stark aufgenommenes Wasser den Widerstand senkt, erklärt der Beitrag zu elektrisch isolierenden Kunststoffen.
Wie wird die elektrische Leitfähigkeit gemessen?
Das Messverfahren hängt davon ab, an welchem Ende der Skala der Werkstoff liegt, denn zwischen Kupfer und Kapton ändert sich der Widerstand um den Faktor 10²⁴.
- Metalle und Folien aus Metall misst man im Vierleiterverfahren: Zwei Kontakte speisen den Strom ein, zwei getrennte Kontakte greifen die Spannung ab, damit der Übergangswiderstand der Klemmen das Ergebnis nicht verfälscht.
- Dünne Schichten und Halbleiterscheiben misst man nach van der Pauw mit vier Kontakten am Rand einer beliebig geformten Probe.
- Isolierstoffe misst man als Durchgangswiderstand mit Gleichspannung und Schutzringelektrode nach ASTM D257 und rechnet aus Fläche und Dicke der Probe auf Ω·cm um.
- Wasser und Lösungen misst man mit einer Leitfähigkeitszelle in µS/cm und rechnet auf die Bezugstemperatur 25 °C um, weil Elektrolyte mit steigender Temperatur besser leiten.
Leitfähigkeit und Foliendicke: der Skin-Effekt bei Kupferfolie
Bei Wechselstrom verdrängt das eigene Magnetfeld den Strom an die Oberfläche des Leiters. Die Eindringtiefe, in der die Stromdichte auf 37 % gefallen ist, sinkt mit der Frequenz. Für Kupfer nennt ADT-Audio 9,4 mm bei 50 Hz, 2,1 mm bei 1 kHz, 0,21 mm bei 100 kHz, 66 µm bei 1 MHz und 21 µm bei 10 MHz. Weil die Eindringtiefe mit der Wurzel der Frequenz fällt, sind es rechnerisch rund 6,6 µm bei 100 MHz.
Für die Auswahl von Abschirmfolien ist das der Maßstab. Eine Kupferfolie von 35 µm ist bei 1 MHz dünner als eine Eindringtiefe, bei 100 MHz dagegen fünfmal so dick. Der Flächenwiderstand, also der Widerstand eines beliebig großen Quadrats der Folie, ergibt sich aus 1 / (σ · Dicke): Bei 57 MS/m sind das 0,5 mΩ für 35 µm und 2,9 mΩ für 6 µm. GOBA schneidet Kupferfolie von 6 bis 200 µm für die EMV-Abschirmung, und die Frage nach der richtigen Dicke beginnt immer bei der Frequenz, gegen die geschirmt werden soll.
Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit hängen bei Metallen zusammen
In Metallen tragen dieselben freien Elektronen Strom und Wärme. Das Wiedemann-Franz-Gesetz fasst das in einer Zahl: Das Verhältnis aus Wärmeleitfähigkeit λ und elektrischer Leitfähigkeit σ, geteilt durch die Temperatur, ergibt die Lorenz-Zahl von 2,1 bis 2,9 · 10⁻⁸ W·Ω/K². Für Cu-ETP mit 394 W/(m·K) und 57 MS/m bei 293 K kommen 2,4 · 10⁻⁸ heraus, genau im Band. Wer die elektrische Leitfähigkeit eines Metalls kennt, kann seine Wärmeleitfähigkeit deshalb gut schätzen.
Isolierstoffe brechen diese Regel. Kapton HN leitet mit 0,20 W/(m·K) Wärme noch messbar, elektrisch liegt es bei 10⁻¹⁶ S/m. In Kunststoffen transportieren Gitterschwingungen die Wärme, freie Elektronen gibt es kaum. Eine Isolierfolie kann deshalb Wärme weitergeben und die Spannung trotzdem sperren.
Beide Enden der Skala auf einer Schneidanlage
GOBA verarbeitet Werkstoffe von beiden Enden der Tabelle, oft für dasselbe Bauteil. Beim Schneiden von Batteriefolien laufen Ableiterfolien aus Kupfer mit 6 bis 20 µm und aus Aluminium mit 10 bis 25 µm, dazu die Isolationsfolien, die Zellen und Module voneinander trennen. Beim Schneiden von EMV-Abschirmfolie kommen Kupfer-, Aluminium- und Nickelfolien sowie Kupfer-Nickel-Verbunde hinzu. Geschnitten wird in Breiten von 5 bis 1.600 mm mit einer Toleranz von plus minus 0,1 mm, gewickelt auf Kerne mit 25, 55, 76 oder 152 mm.
Bei leitfähigen Folien entscheidet die Kante. Ein Grat, der bei einer Polyesterfolie folgenlos bliebe, kann bei Kupferfolie später einen Kurzschluss auslösen oder die Kontaktierung einer Abschirmung stören, deshalb fahren wir dünne Metallfolien mit kontrollierter Bahnspannung. Ein Einwand, den wir oft hören: Leitfähigkeit sei nur für Leiter ein Thema. Für Isolierteile ist sie genauso wichtig, nur am anderen Ende der Skala. Wer eine Nutisolation oder eine Zelltrennung auslegt, sucht im Datenblatt deshalb den Durchgangswiderstand bei Betriebstemperatur und Feuchte.
GOBA Fazit
Die elektrische Leitfähigkeit trennt Leiter und Isolierstoffe um 24 Zehnerpotenzen, und beide Seiten reagieren gegenläufig auf Wärme: Kupfer verliert von 20 auf 100 °C ein Viertel, PET-Folie wird zwischen 25 und 150 °C hunderttausendfach leitfähiger. Wer Werte aus Tabellen übernimmt, braucht Sorte, Zustand und Bezugstemperatur, sonst streuen die Zahlen um mehr als 10 %.
Schicken Sie uns Werkstoff, Dicke und Einsatzbedingungen, dann schneiden wir Kupfer- und Aluminiumfolie beim Lohnschneiden auf Maß oder fertigen Isolierteile aus unseren Isoliermaterialien, mit den Datenblattwerten, die zu Ihrer Anwendung passen.
