Przewodnictwo to proces, w którym coś, na przykład ciepło lub prąd elektryczny, przemieszcza się z jednej substancji do drugiej. Przewodnictwo występuje w ciałach stałych, cieczach i gazach. Jednak ciała stałe przenoszą energię najskuteczniej, ponieważ cząsteczki w ciałach stałych są najbardziej upakowane, a cząsteczki są bliżej siebie.
Przewodzenie ciepła ma miejsce, gdy cząsteczki zwiększają temperaturę; wibrują, a te wibracje i ruch przekazują energię cieplną otaczającym cząsteczkom.
Kiedy dwa ciała o różnych temperaturach pozostają w kontakcie, ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze . Średnia energia kinetyczna substancji jest miarą temperatury ciała. Gdy następuje wzrost średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji, jej temperatura wzrasta, a jeśli następuje spadek średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji, jej temperatura spada.
Trzymaj patelnię na ogniu. Patelnia szybko się nagrzewa, ponieważ ciepło przechodzi z płomienia na patelnię. Teraz zdejmij patelnię z ognia. Stopniowo patelnia ostygnie, ponieważ ciepło jest przenoszone z patelni do otoczenia. W obu przypadkach ciepło przepływa od cieplejszego obiektu do zimniejszego.
Doświadczyłbyś, że jeśli dotkniesz gorącej filiżanki herbaty, twoja ręka poczuje jej ciepło. Powodem jest to, że część energii cieplnej jest przekazywana z kubka do dłoni. Ciepło przenosi się z gorącego przedmiotu na zimny przedmiot, jeśli istnieje między nimi kontakt. W fizyce mówimy, że przenoszenie ciepła wymaga medium. Przewodnictwo cieplne to ruch ciepła z jednego obiektu do drugiego, który ma różne temperatury, gdy się stykają. W ciałach stałych na ogół ciepło jest przenoszone w procesie przewodzenia. Przewodność cieplna opisuje, jak skutecznie materiał może przepuszczać przez niego ciepło. Jest definiowana przez szybkość przepływu energii na jednostkę powierzchni w porównaniu z gradientem temperatury.
Prawo Fouriera przewodzenia ciepła: Prawo Fouriera pokazuje, że energia cieplna przemieszcza się z materiałów cieplejszych do materiałów chłodniejszych. Prawo Fouriera można zapisać jako
q = kAdT∕s
W tym równaniu q odnosi się do szybkości przewodzenia ciepła, A to powierzchnia wymiany ciepła, k to przewodność cieplna materiału, dT to różnica temperatur w całym materiale, a s odnosi się do grubości materiału.
Przykłady:
Przewodnictwo elektryczne następuje w wyniku ruchu cząstek naładowanych elektrycznie przez ośrodek. Ten ruch może spowodować powstanie prądu elektrycznego, który może być przenoszony przez elektrony lub jony. Przykładem przewodnictwa elektrycznego jest przypadkowe porażenie prądem, gdy dotkniesz przewodu pod napięciem, ponieważ twoje ciało zawiera wodę, która jest przewodnikiem elektryczności. Innym przykładem jest przepływ prądu przez przewody, które są przewodnikami, dzięki czemu możemy oglądać telewizję lub korzystać z komputera.
Przewodność elektryczna jest miarą tego, jak dobrze materiał przyjmuje ruch ładunku elektrycznego. W ciałach stałych, takich jak metale, elektrony są luźno związane z atomami, dzięki czemu elektrony mogą swobodnie przemieszczać się z atomu na atom w metalowym obiekcie. Ta ruchliwość elektronów pozwala nam przepuszczać przez nie prąd elektryczny. Jeśli możemy z łatwością przepuszczać prąd elektryczny przez przedmioty, nazywamy je dobrymi przewodnikami elektrycznymi. Materiały, które nie pozwalają na przepływ prądu przez nie, nazywane są izolatorami. Przewodnictwo półprzewodników jest pośrednie między przewodnictwem izolatora i przewodnika. „Doskonała próżnia” nie zawiera naładowanych cząstek; próżnie zwykle zachowują się jak bardzo dobre izolatory.
Przewodnictwo w metalach dobrze opisuje prawo Ohma , które mówi, że natężenie prądu jest proporcjonalne do przyłożonego pola elektrycznego. Łatwość, z jaką gęstość prądu (prąd na powierzchnię) j pojawia się w materiale, jest mierzona przewodnością σ , zdefiniowaną jako:
j = σ mi,
E to pole elektryczne w tym miejscu, a σ to przewodnictwo materiału, miara tego, jak łatwo przemieszczają się przez niego ładunki.
Przewodność elektryczna lub rezystywność materiału jest niezmienną właściwością, która nie zmienia się w zależności od rozmiaru lub kształtu materiału.
Ładowanie przez przewodzenie:
Ciała można ładować metodą przewodzenia, czyli kontaktu. Przez przewodzenie ciało uzyskuje taki sam ładunek jak na ciele ładującym.
Eksperyment: Zrób papierowy cylinder, nawijając pasek papieru na ołówek, a następnie delikatnie wyciągając ołówek. Zawieś papierowy cylinder za pomocą nitki przywiązanej do jego środka. Weź szklany pręt i potrzyj go jedwabiem, aby miał ładunek dodatni. Dotknij papierowego cylindra tym szklanym prętem. Wyjmij szklany pręt, a następnie ponownie zbliż szklany pręt do papierowego cylindra.
Zauważysz, że papierowy walec jest odpychany przez szklany pręt. Oznacza to, że papierowy walec uzyskał ładunek dodatni, który jest taki sam, jak ładunek na szklanym pręcie w wyniku przewodzenia.
Przykłady:
Fotoprzewodnictwo występuje, gdy materiał pochłania promieniowanie elektromagnetyczne, co powoduje zmianę przewodności elektrycznej substancji. Promieniowanie elektromagnetyczne może być spowodowane czymś tak prostym, jak światło padające na półprzewodnik lub czymś tak złożonym, jak materiał wystawiony na działanie promieniowania gamma. Kiedy dochodzi do zdarzenia elektromagnetycznego, zwiększa się liczba wolnych elektronów, podobnie jak liczba dziur elektronowych, zwiększając w ten sposób przewodność elektryczną obiektu. Niektóre krystaliczne półprzewodniki, takie jak krzem, german, siarczek ołowiu i siarczek kadmu oraz pokrewny selen półmetaliczny, silnie przewodzą światło
Przykłady:
Każdy obiekt, który skutecznie przenosi energię cieplną lub elektryczną, lub obie, jest przewodnikiem. Materiały, które nie przepuszczają ciepła i elektryczności przez nie, to izolator.
| Materiały o dobrym przewodnictwie cieplnym | Materiały o dobrym przewodnictwie elektrycznym |
|
|
Metale na ogół skutecznie przenoszą ciepło i są dobrymi przewodnikami ciepła. Tkaniny i drewno mają tendencję do słabego przewodzenia ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli substancja jest dobrym przewodnikiem energii cieplnej, będzie również dobrym przewodnikiem elektrycznym. To nie zawsze jest prawdą; na przykład mika jest przewodnikiem ciepła, ale izolatorem elektrycznym. Słona woda jest słabym przewodnikiem ciepła, ale dobrym przewodnikiem elektrycznym. Jednak ogólnie rzecz biorąc, to samo ścisłe upakowanie atomów i stosunkowo swobodny ruch ich elektronów, który powoduje ruch energii cieplnej w substancji, powoduje również ruch energii elektrycznej elektronów.
Czysta woda, bez rozpuszczonych ciał stałych, nie przewodzi prądu elektrycznego. Prąd elektryczny płynie łatwiej, gdy woda zawiera więcej rozpuszczonych minerałów. Powietrze, mieszanina gazów, generalnie nie jest dobrym przewodnikiem ani ciepła, ani elektryczności. Powietrze, podobnie jak woda, jest uważane za izolator. Jednak kiedy cząsteczki w powietrzu otrzymują silny ładunek elektryczny, na przykład z nagromadzonych ładunków elektrostatycznych (z pola elektrycznego, gdy ma uderzyć piorun lub z pola elektrycznego linii energetycznej), powietrze może przewodzić prąd.
Słona woda jest słabym przewodnikiem ciepła, ale dobrym przewodnikiem elektrycznym: Woda słodka zatrzymuje ciepło dłużej niż woda słona, ponieważ dodatek soli obniża pojemność cieplną roztworu w stosunku do czystej wody. Niższa pojemność cieplna oznacza, że woda słona nagrzewa się i stygnie szybciej niż woda słodka w tych samych warunkach. Przewodność cieplna maleje wraz ze wzrostem zasolenia i wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Przewodność elektryczna wody zależy od stężenia rozpuszczonych jonów w roztworze. Sól chlorku sodu dysocjuje na jony. Dlatego woda morska jest około miliona razy bardziej przewodząca niż woda słodka. |
