التوصيل هو العملية التي ينتقل بها شيء ، مثل الحرارة أو التيار الكهربائي ، من مادة إلى مادة أخرى. يحدث التوصيل في المواد الصلبة والسوائل والغازات. ومع ذلك ، فإن المواد الصلبة تنقل الطاقة بكفاءة عالية نظرًا لأن الجزيئات في المواد الصلبة تكون معبأة بإحكام ، والجزيئات متقاربة معًا.
يحدث توصيل الحرارة عندما تزداد درجة حرارة الجزيئات ؛ إنها تهتز ، وهذا الاهتزاز والحركة يمرران الطاقة الحرارية إلى الجزيئات المحيطة.
عندما يظل جسمان على اتصال بدرجات حرارة مختلفة ، تتدفق الحرارة من الجسم عند درجة حرارة عالية إلى الجسم عند درجة حرارة منخفضة . متوسط الطاقة الحركية للمادة هو مقياس لدرجة حرارة الجسم. عندما يكون هناك ارتفاع في متوسط الطاقة الحركية لجزيئات مادة ما ، تزداد درجة حرارتها ، وإذا حدث انخفاض في متوسط الطاقة الحركية لجزيئات المادة ، تنخفض درجة حرارتها.
احتفظ بالمقلاة على اللهب. سرعان ما تسخن المقلاة ، لأن الحرارة تنتقل من اللهب إلى المقلاة. الآن قم بإزالة المقلاة من اللهب. يبرد المقلاة تدريجيًا لأن الحرارة تنتقل من المقلاة إلى المناطق المحيطة. في كلتا الحالتين ، تتدفق الحرارة من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة.
كنت ستختبر أنه إذا لمست كوبًا ساخنًا من الشاي ، فإن يدك تشعر بسخونة الكوب. السبب هو أن بعض الطاقة الحرارية تنتقل من الكوب إلى يدك. تنتقل الحرارة من جسم ساخن إلى جسم بارد إذا كان هناك اتصال بينهما. في الفيزياء ، نقول إن نقل الحرارة يتطلب وسيطًا. التوصيل الحراري هو حركة الحرارة من جسم إلى آخر له درجات حرارة مختلفة عندما يتلامس كل منهما مع الآخر. في المواد الصلبة بشكل عام ، تنتقل الحرارة بعملية التوصيل. تصف الموصلية الحرارية مدى كفاءة مادة ما في تمرير الحرارة من خلالها. يتم تعريفه من خلال معدل تدفق الطاقة لكل وحدة مساحة عند مقارنته بتدرج درجة الحرارة.
قانون فورييه للتوصيل الحراري: يوضح قانون فورييه أن الطاقة الحرارية تنتقل من المواد الأكثر دفئًا إلى المواد الأكثر برودة. يمكن كتابة قانون فوريير على شكل
q = kAdT ∕ s
في هذه المعادلة ، تشير q إلى معدل التوصيل الحراري ، و A هي منطقة نقل الحرارة ، و k هي الموصلية الحرارية للمادة ، و dT هي الاختلاف في درجة الحرارة عبر المادة ، وتشير s إلى مدى سماكة المادة.
أمثلة:
يحدث توصيل الكهرباء بسبب حركة الجسيمات المشحونة كهربائيًا عبر وسيط. يمكن أن ينتج عن هذه الحركة تيار كهربائي ، يمكن أن تحمله الإلكترونات أو الأيونات. مثال على التوصيل الكهربائي هو عندما تتعرض لصدمة كهربائية عندما تلمس سلكًا حيًا لأن جسمك يحتوي على ماء ، وهو موصل للكهرباء. مثال آخر هو عندما تمر الكهرباء عبر الأسلاك ، وهي موصلات ، حتى نتمكن من مشاهدة التلفزيون أو استخدام الكمبيوتر.
الموصلية الكهربائية هي مقياس لمدى ملاءمة المادة لحركة الشحنة الكهربائية. في المواد الصلبة مثل المعادن ، ترتبط الإلكترونات بشكل فضفاض بالذرات بسبب قدرة الإلكترونات على التحرك بحرية من ذرة إلى ذرة في جسم معدني. تسمح لنا حركة الإلكترون هذه بتمرير تيار كهربائي من خلاله. إذا تمكنا من تمرير تيار كهربائي بسهولة عبر الأشياء ، فإننا نسميها الموصلات الكهربائية الجيدة. تُعرف المواد التي لا تسمح بتدفق الكهرباء من خلالها بالعوازل. تكون موصلية أشباه الموصلات وسيطة بين تلك الخاصة بالعازل والموصل. لا يحتوي "الفراغ المثالي" على جزيئات مشحونة ؛ تعمل الفراغات عادة كعوازل جيدة جدًا.
يوصف قانون أوم جيدًا التوصيل في المعادن ، والذي ينص على أن التيار يتناسب مع المجال الكهربائي المطبق. يتم قياس السهولة التي تظهر بها كثافة التيار (التيار لكل منطقة) في مادة ما بواسطة الموصلية σ ، والتي تُعرف على النحو التالي:
ي = σ ه ،
E هو المجال الكهربائي في هذا الموقع و هو موصلية المادة ، وهو مقياس لمدى سهولة تحرك الشحنات من خلاله.
تعتبر الموصلية أو المقاومة الكهربائية للمادة خاصية ثابتة لا تتغير فيما يتعلق بحجم أو شكل المادة.
الشحن عن طريق التوصيل:
يمكن شحن الجثث بطريقة التوصيل ، أي عن طريق الاتصال. عن طريق التوصيل ، يكتسب الجسم نفس شحنة جسم الشحن.
التجربة: اصنع أسطوانة ورقية عن طريق لف شريط من الورق على قلم رصاص ثم سحب القلم برفق. علق الاسطوانة الورقية بخيط مرتبط بمركزها. خذ قضيبًا زجاجيًا وافركه بالحرير حتى يكون له شحنة موجبة. المس الأسطوانة الورقية بقضيب الزجاج هذا. قم بإزالة قضيب الزجاج ثم أحضر القضيب الزجاجي مرة أخرى بالقرب من الأسطوانة الورقية.
ستلاحظ أن الأسطوانة الورقية تتنافر بواسطة قضيب الزجاج ، وهذا يعني أن الأسطوانة الورقية قد اكتسبت شحنة موجبة هي نفس الشحنة الموجودة على قضيب الزجاج بسبب التوصيل.
أمثلة:
تحدث الموصلية الضوئية عندما تمتص مادة ما الإشعاع الكهرومغناطيسي ، مما يؤدي إلى تغيير في التوصيل الكهربائي للمادة. يمكن أن ينتج الإشعاع الكهرومغناطيسي عن شيء بسيط مثل تسليط الضوء على أشباه الموصلات أو شيء معقد مثل مادة تتعرض لإشعاع جاما. عندما يحدث الحدث الكهرومغناطيسي ، يزداد عدد الإلكترونات الحرة ، وكذلك عدد الثقوب الإلكترونية ، مما يزيد من الموصلية الكهربائية للجسم. بعض أشباه الموصلات البلورية ، مثل السيليكون والجرمانيوم وكبريتيد الرصاص وكبريتيد الكادميوم والسيلينيوم شبه المعدني المرتبط بها ، موصلة ضوئيًا بقوة
أمثلة:
أي جسم ينقل الطاقة الحرارية أو الكهربائية ، أو كليهما ، بكفاءة هو موصل. المواد التي لا تسمح بمرور الحرارة والكهرباء من خلالها هي عازل.
| مواد ذات توصيل حراري جيد | مواد ذات توصيل كهربائي جيد |
|
|
تعمل المعادن عمومًا على نقل الحرارة بكفاءة وهي موصلات جيدة للحرارة. تميل الأقمشة والخشب إلى توفير توصيل ضعيف للحرارة. بشكل عام ، إذا كانت المادة موصلاً جيدًا للطاقة الحرارية ، فستكون أيضًا موصلًا كهربائيًا جيدًا. هذا ليس صحيحا دائما؛ على سبيل المثال ، الميكا موصل حراري ولكنه عازل كهربائي. يعتبر الماء المالح موصلًا رديئًا للحرارة ولكنه موصل كهربائي جيد. ومع ذلك ، بشكل عام ، فإن نفس التعبئة القريبة للذرات والحركة الحرة نسبيًا لإلكتروناتها التي تجعل الطاقة الحرارية تتحرك في المادة تجعل الطاقة الكهربائية للإلكترونات تتحرك.
المياه النقية ، التي لا تحتوي على مواد صلبة مذابة ، ليست موصلة للكهرباء. يتدفق التيار الكهربائي بسهولة أكبر عندما يحتوي الماء على المزيد من المعادن المذابة فيه. الهواء ، وهو خليط من الغازات ، ليس بشكل عام موصلاً جيدًا للحرارة أو الكهرباء. يعتبر الهواء ، مثل الماء ، عازلًا. ومع ذلك ، عندما تتلقى الجزيئات الموجودة في الهواء شحنة كهربائية قوية من ، على سبيل المثال ، ساكنة متراكمة (من مجال كهربائي عندما يكون البرق على وشك الضرب أو من المجال الكهربائي لخط الطاقة) ، يمكن للهواء توصيل الكهرباء.
يعتبر الماء المالح موصلًا رديئًا للحرارة ولكنه موصل كهربائي جيد: تحتفظ المياه العذبة بالحرارة لفترة أطول من المياه المالحة لأن إضافة الملح تقلل السعة الحرارية للمحلول بالنسبة للمياه النقية. تعني السعة الحرارية المنخفضة أن الماء المالح يسخن ويبرد بسرعة أكبر من الماء العذب في نفس الظروف. الموصلية الحرارية تتناقص مع زيادة الملوحة وتزداد مع زيادة درجة الحرارة. تعتمد الموصلية الكهربائية للماء على تركيز الأيونات الذائبة في المحلول. يتفكك ملح كلوريد الصوديوم إلى أيونات. ومن ثم فإن مياه البحر موصلة أكثر من المياه العذبة بحوالي مليون مرة. |
