Leitung ist der Prozess, bei dem etwas, wie Wärme oder elektrischer Strom, von einer Substanz zu einer anderen Substanz übergeht. Leitung tritt in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen auf. Festkörper übertragen Energie jedoch am effizientesten, da die Moleküle in Festkörpern am dichtesten gepackt sind und die Moleküle dichter beieinander liegen.
Wärmeleitung tritt auf, wenn die Temperatur von Molekülen ansteigt; sie vibrieren, und diese Vibration und Bewegung geben die Wärmeenergie an die umgebenden Moleküle weiter.
Wenn zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt gehalten werden, fließt Wärme von einem Körper mit hoher Temperatur zu einem Körper mit niedriger Temperatur . Die durchschnittliche kinetische Energie der Substanz ist ein Maß für die Körpertemperatur. Wenn die durchschnittliche kinetische Energie von Molekülen einer Substanz ansteigt, steigt ihre Temperatur, und wenn die durchschnittliche kinetische Energie von Molekülen einer Substanz abfällt, sinkt ihre Temperatur.
Halten Sie eine Bratpfanne auf einer Flamme. Die Bratpfanne wird schnell heiß, weil die Hitze von der Flamme auf die Pfanne übergeht. Jetzt die Pfanne von der Flamme nehmen. Die Pfanne kühlt allmählich ab, da die Wärme von der Pfanne auf die Umgebung übertragen wird. In beiden Fällen fließt Wärme von einem heißeren Objekt zu einem kälteren Objekt.
Sie haben die Erfahrung gemacht, dass, wenn Sie eine heiße Tasse Tee berühren, Ihre Hand die Hitze der Tasse spürt. Der Grund dafür ist, dass ein Teil der Wärmeenergie von der Tasse auf Ihre Hand übertragen wird. Wärme wird von einem heißen Objekt auf ein kaltes Objekt übertragen, wenn ein Kontakt zwischen ihnen besteht. In der Physik sagt man, dass Wärmeübertragung ein Medium benötigt. Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme von einem Objekt zu einem anderen, das unterschiedliche Temperaturen hat, wenn sie sich berühren. Bei Festkörpern wird die Wärme im Allgemeinen durch Wärmeleitung übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie effizient ein Material Wärme durchleiten kann. Sie ist definiert durch die Geschwindigkeit des Energieflusses pro Flächeneinheit im Vergleich zu einem Temperaturgradienten.
Fouriersches Gesetz der Wärmeleitung: Das Fouriersche Gesetz zeigt, dass sich Wärmeenergie von wärmeren Materialien zu kühleren Materialien bewegt. Das Fouriersche Gesetz kann geschrieben werden als
q = kAdT∕s
In dieser Gleichung bezieht sich q auf die Wärmeleitungsrate, A ist die Wärmeübertragungsfläche, k ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials, dT ist der Temperaturunterschied über das Material und s bezieht sich darauf, wie dick das Material ist.
Beispiele:
Stromleitung entsteht durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen durch ein Medium. Diese Bewegung kann zu einem elektrischen Strom führen, der von Elektronen oder Ionen getragen werden kann. Ein Beispiel für elektrische Leitung ist, wenn Sie versehentlich einen Stromschlag erleiden, wenn Sie eine stromführende Leitung berühren, weil Ihr Körper Wasser enthält, das ein elektrischer Leiter ist. Ein weiteres Beispiel ist, wenn Strom durch Drähte fließt, die Leiter sind, damit wir fernsehen oder einen Computer benutzen können.
Die elektrische Leitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie gut ein Material die Bewegung einer elektrischen Ladung aufnimmt. In Festkörpern wie Metallen sind die Elektronen lose an die Atome gebunden, wodurch sich Elektronen in einem Metallobjekt frei von Atom zu Atom bewegen können. Diese Elektronenmobilität ermöglicht es uns, einen elektrischen Strom hindurchzuleiten. Wenn wir einen elektrischen Strom leicht durch Gegenstände leiten können, nennen wir sie gute Stromleiter. Materialien, die keinen Strom durchlassen, werden als Isolatoren bezeichnet. Die Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen der eines Isolators und eines Leiters. Ein "perfektes Vakuum" enthält keine geladenen Teilchen; Staubsauger verhalten sich normalerweise wie sehr gute Isolatoren.
Die Leitung in Metallen wird gut durch das Ohmsche Gesetz beschrieben, das besagt, dass der Strom proportional zum angelegten elektrischen Feld ist. Die Leichtigkeit, mit der die Stromdichte (Strom pro Fläche) j in einem Material auftritt, wird durch die Leitfähigkeit σ gemessen, definiert als:
j = σE,
E ist das elektrische Feld an diesem Ort und σ ist die Leitfähigkeit des Materials, ein Maß dafür, wie leicht sich Ladungen durch das Material bewegen.
Die elektrische Leitfähigkeit oder der spezifische Widerstand eines Materials ist eine unveränderliche Eigenschaft, die sich in Bezug auf die Größe oder Form des Materials nicht ändert.
Laden durch Leitung:
Körper können durch die Methode der Leitung, also durch Kontakt, aufgeladen werden. Durch Leitung erhält der Körper die gleiche Ladung wie am aufladenden Körper.
Experiment: Machen Sie einen Papierzylinder, indem Sie einen Papierstreifen auf einen Bleistift rollen und dann den Bleistift vorsichtig herausziehen. Hängen Sie den Papierzylinder an einem Faden auf, der in seiner Mitte befestigt ist. Nehmen Sie einen Glasstab und reiben Sie ihn mit Seide, damit er eine positive Ladung hat. Berühren Sie den Papierzylinder mit diesem Glasstab. Entfernen Sie den Glasstab und bringen Sie den Glasstab erneut in die Nähe des Papierzylinders.
Sie werden feststellen, dass der Papierzylinder vom Glasstab abgestoßen wird. Dies bedeutet, dass der Papierzylinder aufgrund der Leitung eine positive Ladung angenommen hat, die dieselbe Ladung wie der Glasstab ist.
Beispiele:
Photoleitfähigkeit tritt auf, wenn ein Material elektromagnetische Strahlung absorbiert, was zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz führt. Die elektromagnetische Strahlung kann durch etwas so Einfaches wie Licht verursacht werden, das auf einen Halbleiter scheint, oder durch etwas so Komplexes wie ein Material, das Gammastrahlung ausgesetzt wird. Wenn das elektromagnetische Ereignis eintritt, erhöht sich die Anzahl der freien Elektronen ebenso wie die Anzahl der Elektronenlöcher, wodurch die elektrische Leitfähigkeit des Objekts erhöht wird. Bestimmte kristalline Halbleiter wie Silizium, Germanium, Bleisulfid und Cadmiumsulfid und das verwandte Halbmetall Selen sind stark photoleitfähig
Beispiele:
Jedes Objekt, das thermische oder elektrische Energie oder beides effizient überträgt, ist ein Leiter. Materialien, die weder Wärme noch Strom durchlassen, sind Isolatoren.
| Materialien mit guter Wärmeleitung | Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit |
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Metalle transportieren Wärme im Allgemeinen effizient und sind gute Wärmeleiter. Stoffe und Holz neigen zu einer schlechten Wärmeleitung. Wenn eine Substanz ein guter Wärmeenergieleiter ist, ist sie im Allgemeinen auch ein guter elektrischer Leiter. Das ist nicht immer wahr; Beispielsweise ist Glimmer ein Wärmeleiter, aber ein elektrischer Isolator. Salzwasser ist ein schlechter Wärmeleiter, aber ein guter elektrischer Leiter. Dennoch bewirkt im Allgemeinen die gleiche dichte Packung von Atomen und die relativ freie Bewegung ihrer Elektronen, die dazu führen, dass sich thermische Energie in der Substanz bewegt, auch die elektrische Energie der Elektronen.
Reines Wasser ohne gelöste Feststoffe ist nicht elektrisch leitfähig. Elektrischer Strom fließt leichter, wenn das Wasser mehr gelöste Mineralien enthält. Luft, ein Gasgemisch, leitet im Allgemeinen weder Wärme noch Elektrizität gut. Luft gilt wie Wasser als Isolator. Wenn die Partikel in der Luft jedoch eine starke elektrische Ladung erhalten, beispielsweise durch statische Aufladung (durch ein elektrisches Feld, wenn ein Blitz einschlägt, oder durch das elektrische Feld einer Stromleitung), kann die Luft Elektrizität leiten.
Salzwasser ist ein schlechter Wärmeleiter, aber ein guter elektrischer Leiter: Süßwasser hält Wärme länger als Salzwasser, da die Zugabe von Salz die Wärmekapazität der Lösung im Vergleich zu reinem Wasser verringert. Aufgrund der geringeren Wärmekapazität erwärmt sich Salzwasser bei gleichen Bedingungen schneller und kühlt schneller ab als Süßwasser. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigendem Salzgehalt ab und steigt mit steigender Temperatur. Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser hängt von der Konzentration gelöster Ionen in der Lösung ab. Das Natriumchloridsalz dissoziiert in Ionen. Daher ist Meerwasser etwa eine Million Mal leitfähiger als Süßwasser. |
