Warum leiten Bleistiftminen elektrischen Strom?

Als Einstieg in das Thema „Elektrizität” werden häufig Alltagsgegenstände untersucht und in elektrische Leiter und Nichtleiter eingeteilt. Neben diversen Metallgegenständen findet sich unter den elektrischen Leitern dann auch häufig ein Bleistift. Anhand des Namens, erscheint das logisch.

Der Bleistift verdankt seinen Namen allerdings einem Irrtum. Von jeher wurde für die Mine Graphit verwendet. Graphit ist eine der natürlichen Erscheinungsformen des Elements Kohlenstoff. Doch wurde das Graphit anfangs für das Bleierz Galenit (Bleiglanz) gehalten. So erhielt der Stift die bis heute verwendete Bezeichnung „Bleistift”. Statt aus reinem Graphit werden die Minen heute aus einem Graphit-Ton-Gemisch hergestellt. Wie hart eine Mine ist, hängt vom Mischungsverhältnis ab. Je höher der Graphitanteil, desto weicher ist die Mine.

Damit ein Stoff elektrischen Strom leiten kann, benötigt er frei bewegliche geladene Teilchen. In Metallen sind das die Außenelektronen der Metallatome, die als so genanntes „Elektronengas” im gesamten Metallkristall frei beweglich sind und sozusagen von allen Atomen gemeinsam genutzt werden.

Graphit besteht aus kristallinen, ebenen Schichten. Innerhalb dieser Schichten sind die Kohlenstoffatome in Sechsecken fest aneinander gebunden. Um diese Bindungen auszubilden, nutzt jedes Kohlenstoffatom drei seiner Außenelektronen. Die verbleibenden vierten Außenelektronen sind in der gesamten Schicht frei beweglich. Dadurch glänzt Graphit metallisch und kann wie ein Metall elektrischen Strom leiten, allerdings nur entlang der Schichten. Senkrecht zu den Schichten ist Graphit ein Nichtleiter (Isolator).

Um die Leitfähigkeit einer Bleistiftmine zu untersuchen, benötigt man neben einem beidseitig angespitzten Bleistift nur eine Batterie, ein Lämpchen mit Fassung und 3 Kabel.
Aufgrund des unterschiedlichen Graphitanteils eignen sich aber nicht alle Bleistifte gleichermaßen gut. Wir haben die besten Erfahrungen mit einem 6B-Stift gemacht. Die Minen der ganz weichen Stifte (8B, 9B) leiteten bei uns interessanterweise keinen Strom. Man kommt daher nicht umhin, mehrere unterschiedliche Stifte zu kaufen und zu testen.

Nicht den richtigen Bleistift gefunden? Das Material und verständliche Anleitungskarten für dieses und weitere anschauliche Experimente zum elektrischen Strom enthält der → Experimentierkasten „Elektrizität & Magnetismus II” von → EMS Kraus.

Quellen:
http://www.cumschmidt.de/s_leitf_el01.htm (Stand 06.01.2018)
https://de.wikipedia.org/wiki/Bleistift (Stand 06.01.2018)
http://www.chemieunterricht.de/dc2/kristalle/c-mod.htm (Stand 06.01.2018)