رسانایی فرآیندی است که طی آن چیزی مانند گرما یا جریان الکتریکی از یک ماده به ماده دیگر منتقل می شود. رسانایی در جامدات، مایعات و گازها اتفاق می افتد. با این حال، جامدات انرژی را به بهترین شکل انتقال می‌دهند، زیرا مولکول‌های موجود در جامدات محکم‌تر هستند و مولکول‌ها به هم نزدیک‌تر هستند.
هدایت گرما زمانی اتفاق می افتد که مولکول ها در دما افزایش می یابند. آنها ارتعاش می کنند و این ارتعاش و حرکت انرژی گرمایی را به مولکول های اطراف منتقل می کند.
هنگامی که دو جسم در دماهای مختلف در تماس باشند، گرما از یک جسم در دمای بالا به بدن در دمای پایین جریان می یابد . میانگین انرژی جنبشی یک ماده اندازه گیری دمای بدن است. هنگامی که میانگین انرژی جنبشی مولکول های یک ماده افزایش می یابد، دمای آن افزایش می یابد و اگر میانگین انرژی جنبشی مولکول های یک ماده کاهش یابد، دمای آن کاهش می یابد.
ماهیتابه را روی شعله نگه دارید. ماهیتابه زود داغ می شود، زیرا حرارت از روی شعله به ماهیتابه منتقل می شود. حالا ظرف را از روی شعله بردارید. به تدریج تابه خنک می شود زیرا حرارت از تابه به اطراف منتقل می شود. در هر دو مورد، گرما از یک جسم داغتر به یک جسم سردتر جریان می یابد.
حتما تجربه کرده اید که اگر یک فنجان چای داغ را لمس کنید، دستتان داغی فنجان را احساس می کند. دلیل آن این است که مقداری از انرژی گرمایی از فنجان به دست شما منتقل می شود. گرما از یک جسم گرم به یک جسم سرد در صورت تماس بین آنها منتقل می شود. در فیزیک می گوییم که انتقال گرما به وسیله ای نیاز دارد. رسانش حرارتی حرکت گرما از یک جسم به جسم دیگر است که در هنگام تماس با یکدیگر دماهای متفاوتی دارند. در جامدات، به طور کلی، گرما با فرآیند رسانایی منتقل می شود. رسانایی حرارتی نشان می دهد که یک ماده چقدر می تواند گرما را از خود عبور دهد. با نرخ جریان انرژی در واحد سطح در مقایسه با گرادیان دما تعریف می شود.
قانون هدایت حرارتی فوریه: قانون فوریه نشان می دهد که انرژی حرارتی از مواد گرمتر به مواد سردتر منتقل می شود. قانون فوریه را می توان به صورت زیر نوشت
q = kAdT∕s
در این معادله، q به سرعت هدایت گرما، A ناحیه انتقال حرارت، k هدایت حرارتی ماده، dT تفاوت دما در سراسر ماده و s به میزان ضخامت ماده اشاره دارد.
مثال ها:
رسانایی الکتریسیته به دلیل حرکت ذرات باردار الکتریکی از طریق یک محیط رخ می دهد. این حرکت می تواند منجر به جریان الکتریکی شود که ممکن است توسط الکترون ها یا یون ها حمل شود. نمونه ای از رسانایی الکتریکی زمانی است که هنگام لمس یک سیم برق به طور تصادفی دچار برق گرفتگی می شوید زیرا بدن شما حاوی آب است که رسانای الکتریسیته است. مثال دیگر زمانی است که الکتریسیته از سیم ها عبور می کند که رسانا هستند، بنابراین می توانیم تلویزیون تماشا کنیم یا از رایانه استفاده کنیم.
رسانایی الکتریکی معیاری است که نشان می دهد یک ماده چقدر با حرکت بار الکتریکی سازگار است. در جامداتی مانند فلزات، الکترون‌ها به اتم‌ها متصل هستند، به همین دلیل الکترون‌ها می‌توانند آزادانه از اتمی به اتم دیگر در یک جسم فلزی حرکت کنند. این تحرک الکترون به ما اجازه می دهد تا یک جریان الکتریکی را از آن عبور دهیم. اگر به راحتی بتوانیم جریان الکتریکی را از اجسام عبور دهیم، آنها را رسانای الکتریسیته خوب می نامیم. موادی که اجازه عبور جریان الکتریسیته از خود را نمی دهند به عنوان عایق شناخته می شوند. رسانایی نیمه هادی ها بین رسانایی عایق و رسانا است. یک "خلاء کامل" حاوی ذرات باردار نیست. جاروبرقی ها معمولاً به عنوان عایق های بسیار خوبی عمل می کنند.
رسانایی در فلزات با قانون اهم به خوبی توضیح داده شده است، که بیان می کند که جریان متناسب با میدان الکتریکی اعمال شده است. سهولت ظاهر شدن چگالی جریان (جریان در هر سطح) j در یک ماده با رسانایی σ اندازه گیری می شود که به صورت زیر تعریف می شود:
j = σ E،
E میدان الکتریکی در آن مکان است و σ رسانایی ماده است، معیاری است که نشان می دهد بارها چگونه به راحتی در آن حرکت می کنند.
رسانایی یا مقاومت الکتریکی یک ماده یک ویژگی تغییر ناپذیر است که با توجه به اندازه یا شکل ماده تغییر نمی کند.
شارژ از طریق هدایت:
اجسام را می توان با روش رسانایی، یعنی تماس، شارژ کرد. با رسانش، جسم همان باری را به دست می‌آورد که در بدنه باردار وجود دارد.
آزمایش: با چرخاندن یک نوار کاغذ روی یک مداد و سپس بیرون کشیدن مداد، یک استوانه کاغذی درست کنید. سیلندر کاغذ را با نخی که به مرکز آن بسته شده است آویزان کنید. یک میله شیشه ای بردارید و آن را با ابریشم بمالید تا بار مثبت داشته باشد. با این میله شیشه ای استوانه کاغذ را لمس کنید. میله شیشه ای را بردارید و دوباره میله شیشه ای را نزدیک سیلندر کاغذ بیاورید.
متوجه خواهید شد که استوانه کاغذ توسط میله شیشه ای دفع می شود، این بدان معنی است که استوانه کاغذی بار مثبتی دارد که همان بار روی میله شیشه ای به دلیل رسانایی است.
مثال ها:
رسانایی نوری زمانی اتفاق می افتد که یک ماده تابش الکترومغناطیسی را جذب می کند و در نتیجه رسانایی الکتریکی ماده تغییر می کند. تابش الکترومغناطیسی می تواند ناشی از چیزی به سادگی نوری باشد که به یک نیمه هادی می تابد یا چیزی به پیچیدگی ماده ای که در معرض تابش گاما قرار می گیرد. هنگامی که رویداد الکترومغناطیسی رخ می دهد، تعداد الکترون های آزاد و همچنین تعداد حفره های الکترونی افزایش می یابد، بنابراین رسانایی الکتریکی جسم افزایش می یابد. برخی از نیمه هادی های کریستالی مانند سیلیکون، ژرمانیوم، سولفید سرب و سولفید کادمیوم و سلنیوم نیمه فلزی مرتبط، به شدت نوررسانا هستند.
مثال ها:
هر جسمی که انرژی حرارتی یا الکتریکی یا هر دو را به نحو مؤثری انتقال دهد یک رسانا است. موادی که اجازه عبور گرما و الکتریسیته را نمی دهند عایق هستند.
| مواد با هدایت حرارتی خوب | مواد با رسانایی الکتریکی خوب |
|
|
فلزات عموماً گرما را به نحو احسن حرکت می دهند و رسانای گرمایی خوبی هستند. پارچه و چوب تمایل به انتقال حرارت ضعیف دارند. به طور کلی، اگر ماده ای رسانای انرژی گرمایی خوبی باشد، رسانای الکتریکی خوبی نیز خواهد بود. این همیشه درست نیست. به عنوان مثال، میکا یک رسانای گرما است اما یک عایق الکتریکی است. آب شور رسانای حرارتی ضعیفی است اما رسانای الکتریکی خوبی است. با این حال، به طور کلی، همان بسته بندی نزدیک اتم ها و حرکت نسبتا آزاد الکترون های آنها که باعث حرکت انرژی حرارتی در ماده می شود، باعث حرکت انرژی الکتریکی الکترون ها نیز می شود.
آب خالص، بدون مواد جامد محلول، رسانای الکتریکی نیست. هنگامی که آب دارای مواد معدنی محلول بیشتری باشد، جریان الکتریکی راحت تر جریان می یابد. هوا، مخلوطی از گازها، عموماً رسانای خوبی برای گرما یا الکتریسیته نیست. هوا نیز مانند آب عایق محسوب می شود. با این حال، زمانی که ذرات موجود در هوا یک بار الکتریکی قوی از مثلاً استاتیک ایجاد شده دریافت می کنند (از یک میدان الکتریکی در هنگام برخورد صاعقه یا از میدان الکتریکی یک خط برق)، هوا می تواند جریان الکتریکی را هدایت کند.
آب شور رسانای حرارتی ضعیفی است اما رسانای الکتریکی خوبی است: آب شیرین گرما را بیشتر از آب شور نگه می دارد زیرا افزودن نمک ظرفیت گرمایی محلول را نسبت به آب خالص کاهش می دهد. ظرفیت گرمایی کمتر به این معنی است که آب شور در شرایط یکسان هم سریعتر از آب شیرین گرم می شود و هم سرد می شود. هدایت حرارتی با افزایش شوری کاهش می یابد و با افزایش دما افزایش می یابد. هدایت الکتریکی آب به غلظت یون های محلول در محلول بستگی دارد. نمک کلرید سدیم به یون تجزیه می شود. بنابراین رسانایی آب دریا حدود یک میلیون برابر بیشتر از آب شیرین است. |
