Back to the topics list

geleiding

Geleiding is het proces waarbij iets, zoals warmte of een elektrische stroom, van de ene stof naar de andere stof gaat. Geleiding vindt plaats in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Vaste stoffen dragen echter energie het meest efficiënt over, omdat de moleculen in vaste stoffen het dichtst op elkaar gepakt zijn en de moleculen dichter bij elkaar staan.

• Om geleiding tussen twee objecten te laten plaatsvinden, moeten ze elkaar raken.
• Om geleiding tussen atomen binnen hetzelfde object te laten plaatsvinden, moeten ze elkaar ook raken (of bijna aanraken).

Geleiding van warmte

Geleiding van warmte vindt plaats wanneer moleculen in temperatuur toenemen; ze trillen, en deze vibratie en beweging geven de warmte-energie door aan de omringende moleculen.

Wanneer twee lichamen met verschillende temperaturen met elkaar in contact worden gehouden, stroomt warmte van een lichaam met hoge temperatuur naar het lichaam met lage temperatuur . De gemiddelde kinetische energie van de stof is een maat voor de temperatuur van het lichaam. Wanneer de gemiddelde kinetische energie van moleculen van een stof stijgt, neemt de temperatuur toe, en als de gemiddelde kinetische energie van moleculen van een stof daalt, neemt de temperatuur af.

Houd een koekenpan op het vuur. De braadpan wordt al snel heet, omdat de warmte van de vlam naar de pan gaat. Haal nu de pan van het vuur. Geleidelijk aan zal de pan afkoelen doordat de warmte van de pan naar de omgeving wordt overgedragen. In beide gevallen stroomt warmte van een heter object naar een kouder object.

Je zou hebben ervaren dat als je een warme kop thee aanraakt, je hand de warmte van de kop voelt. De reden is dat een deel van de warmte-energie van de beker naar je hand wordt overgebracht. Warmte wordt overgedragen van een heet object naar een koud object als er contact tussen is. In de natuurkunde zeggen we dat voor warmteoverdracht een medium nodig is. Thermische geleiding is de beweging van warmte van het ene object naar het andere met verschillende temperaturen wanneer ze elkaar raken. In vaste stoffen wordt de warmte over het algemeen overgedragen door het geleidingsproces. Thermische geleidbaarheid beschrijft hoe efficiënt een materiaal er warmte doorheen kan leiden. Het wordt gedefinieerd door de snelheid van de energiestroom per oppervlakte-eenheid in vergelijking met een temperatuurgradiënt.

Fourier's wet van warmtegeleiding: de wet van Fourier laat zien dat thermische energie van warmere materialen naar koelere materialen gaat. De wet van Fourier kan worden geschreven als

q = kAdT∕s

In deze vergelijking verwijst q naar de snelheid van warmtegeleiding, A is het warmteoverdrachtsgebied, k is de thermische geleidbaarheid van het materiaal, dT is het temperatuurverschil over het materiaal en s verwijst naar hoe dik het materiaal is.

Voorbeelden:

• Je rugspieren opwarmen met een verwarmingskussen.
• Als je het koud hebt en iemand houdt je vast; de warmte wordt van hun lichaam naar het jouwe geleid en je voelt je warm.
• Bij het bakken van groenten in een pan. Warmteoverdracht vindt plaats van de vlam naar de pan en vervolgens naar de groenten.

Geleiding van elektriciteit

Geleiding van elektriciteit vindt plaats door de beweging van elektrisch geladen deeltjes door een medium. Deze beweging kan resulteren in een elektrische stroom, die kan worden gedragen door elektronen of ionen. Een voorbeeld van elektrische geleiding is wanneer u per ongeluk wordt geëlektrocuteerd wanneer u een stroomdraad aanraakt omdat uw lichaam water bevat, wat een geleider van elektriciteit is. Een ander voorbeeld is wanneer elektriciteit door draden gaat, die geleiders zijn, zodat we tv kunnen kijken of een computer kunnen gebruiken.

Elektrische geleidbaarheid is een maatstaf voor hoe goed een materiaal de beweging van een elektrische lading opvangt. In vaste stoffen zoals metalen zijn de elektronen losjes aan de atomen gebonden, waardoor elektronen vrij kunnen bewegen van atoom naar atoom in een metalen voorwerp. Door deze elektronenmobiliteit kunnen we er een elektrische stroom doorheen laten gaan. Als we gemakkelijk een elektrische stroom door objecten kunnen laten gaan, noemen we ze Goede elektriciteitsgeleiders. Materialen die geen elektriciteit doorlaten, worden isolatoren genoemd. De geleidbaarheid van halfgeleiders ligt tussen die van een isolator en een geleider. Een 'perfect vacuüm' bevat geen geladen deeltjes; stofzuigers gedragen zich normaal gesproken als zeer goede isolatoren.

Geleiding in metalen wordt goed beschreven door de wet van Ohm , die stelt dat de stroom evenredig is met het aangelegde elektrische veld. Het gemak waarmee de stroomdichtheid (stroom per oppervlak) j in een materiaal verschijnt, wordt gemeten door de geleidbaarheid σ , gedefinieerd als:
j = σ E,

E is het elektrische veld op die locatie en σ is de geleidbaarheid van het materiaal, een maat voor hoe gemakkelijk ladingen er doorheen gaan.

De elektrische geleidbaarheid of soortelijke weerstand van een materiaal is een onveranderlijke eigenschap die niet verandert met betrekking tot de grootte of vorm van het materiaal.

Opladen door geleiding:
Lichamen kunnen worden opgeladen door de methode van geleiding, dat wil zeggen door contact. Door geleiding krijgt het lichaam dezelfde lading als op het opladende lichaam.

Experiment: Maak een papieren cilinder door een strook papier over een potlood te rollen en het potlood er voorzichtig uit te trekken. Hang de papieren cilinder op met een draad die aan het midden is vastgemaakt. Neem een glazen staaf en wrijf deze in met zijde zodat deze een positieve lading heeft. Raak de papieren cilinder aan met deze glazen staaf. Verwijder de glazen staaf en breng de glazen staaf weer in de buurt van de papiercilinder.

Je zult merken dat de papiercilinder wordt afgestoten door de glazen staaf. Dit betekent dat de papiercilinder door geleiding een positieve lading heeft gekregen die dezelfde lading heeft als op de glazen staaf.

Voorbeelden:

• De draden in je huis geleiden elektriciteit en laten de lichten aangaan als je de schakelaar omdraait.
• Met een vaste telefoon worden geluidsgolven omgezet in elektriciteit en via draden naar de telefoon van de andere persoon geleid, waar ze weer worden omgezet in geluidsgolven.
• Bliksemafleiders worden op gebouwen geïnstalleerd om bliksem aan te trekken om ze te raken en hun energie via aangesloten draden naar de grond te geleiden in plaats van de structuur te beschadigen.
• Harten hebben hun eigen natuurlijk voorkomende elektrische geleidingssysteem. Wanneer een hart klopt, zorgen de elektrische signalen ervoor dat het hart in een passend ritme klopt.
• Als het elektrische systeem in iemands hart niet goed werkt, moet de persoon mogelijk een pacemaker laten installeren om geleiding te simuleren.
• De ionen in water kunnen ervoor zorgen dat het elektriciteit geleidt. Daarom is het belangrijk om niet te zwemmen tijdens onweer; als de bliksem het water raakt, riskeert iedereen erin te worden geëlektrocuteerd.

Fotogeleiding

Fotogeleiding treedt op wanneer een materiaal elektromagnetische straling absorbeert, wat resulteert in een verandering in de elektrische geleidbaarheid van de stof. De elektromagnetische straling kan worden veroorzaakt door zoiets eenvoudigs als een licht dat op een halfgeleider schijnt of door iets zo complex als een materiaal dat wordt blootgesteld aan gammastraling. Wanneer de elektromagnetische gebeurtenis plaatsvindt, neemt het aantal vrije elektronen toe, evenals het aantal elektronengaten, waardoor de elektrische geleidbaarheid van het object toeneemt. Bepaalde kristallijne halfgeleiders, zoals silicium, germanium, loodsulfide en cadmiumsulfide, en het verwante halfmetaal selenium, zijn sterk fotogeleidend

Voorbeelden:

• Kopieermachines
• Zonnepanelen
• Fotocellen
• Infrarood detectie apparatuur.

Goede geleiders van warmte en elektriciteit

  Elk object dat thermische of elektrische energie, of beide, efficiënt overdraagt, is een geleider. Materialen die geen warmte en elektriciteit doorlaten, zijn een isolator.

Metalen verplaatsen warmte over het algemeen efficiënt en zijn goede warmtegeleiders. Stoffen en hout hebben de neiging om een slechte warmtegeleiding te bieden. Over het algemeen geldt dat als een stof een goede warmte-energiegeleider is, het ook een goede elektrische geleider is. Dit is niet altijd waar; mica is bijvoorbeeld een warmtegeleider maar een elektrische isolator. Zout water is een slechte warmtegeleider, maar een goede elektrische geleider. Maar in het algemeen zorgen dezelfde dicht opeengepakte atomen en relatief vrije beweging van hun elektronen ervoor dat thermische energie in de stof beweegt, ook de elektrische energie van de elektronen doet bewegen.

Zuiver water, zonder opgeloste vaste stoffen, is niet elektrisch geleidend. Elektrische stroom vloeit gemakkelijker als het water meer opgeloste mineralen bevat. Lucht, een mengsel van gassen, is over het algemeen geen goede geleider van warmte of elektriciteit. Lucht wordt, net als water, als een isolator beschouwd. Maar als de deeltjes in de lucht een sterke elektrische lading krijgen van bijvoorbeeld opgebouwde statische elektriciteit (van een elektrisch veld wanneer de bliksem op het punt staat in te slaan of van het elektrische veld van een hoogspanningslijn), kan de lucht elektriciteit geleiden.