การนำไฟฟ้า เป็นกระบวนการที่บางสิ่ง เช่น ความร้อนหรือกระแสไฟฟ้า เคลื่อนที่จากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง การนำเกิดขึ้นในของแข็ง ของเหลว และก๊าซ อย่างไรก็ตาม ของแข็งถ่ายโอนพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด เนื่องจากโมเลกุลในของแข็งอัดแน่นมากที่สุด และโมเลกุลอยู่ใกล้กันมากขึ้น
การนำความร้อนเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลมีอุณหภูมิสูงขึ้น พวกมันสั่นสะเทือน และการสั่นสะเทือนและการเคลื่อนไหวนี้จะส่งผ่านพลังงานความร้อนไปยังโมเลกุลที่อยู่รอบๆ
เมื่อสองวัตถุที่อุณหภูมิต่างกันสัมผัส กัน ความร้อนจะไหลจากวัตถุที่อุณหภูมิสูงไปยังร่างกายที่อุณหภูมิต่ำ พลังงานจลน์เฉลี่ยของสารคือการวัดอุณหภูมิของร่างกาย เมื่อพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของสารเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของสารนั้นจะเพิ่มขึ้น และหากมีการลดลงของพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของสาร อุณหภูมิของสารนั้นจะลดลง
ตั้งกระทะบนเปลวไฟ กระทะจะร้อนเร็วเพราะความร้อนจะผ่านจากเปลวไฟไปที่กระทะ ตอนนี้เอากระทะออกจากเปลวไฟ กระทะจะค่อยๆ เย็นลง เนื่องจากความร้อนถูกถ่ายเทจากกระทะไปยังบริเวณโดยรอบ ในทั้งสองกรณี ความร้อนจะไหลจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่า
คุณคงเคยมีประสบการณ์ว่าถ้าคุณสัมผัสถ้วยชาร้อนๆ มือของคุณจะรู้สึกถึงความร้อนของถ้วย เหตุผลก็คือพลังงานความร้อนบางส่วนถูกถ่ายโอนจากถ้วยไปยังมือของคุณ การถ่ายเทความร้อนจากวัตถุร้อนไปยังวัตถุเย็นหากมีการสัมผัสกัน ในทางฟิสิกส์ เรากล่าวว่าการถ่ายโอนความร้อนต้องใช้ตัวกลาง การนำความร้อนคือการเคลื่อนที่ของความร้อนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งที่มีอุณหภูมิต่างกันเมื่อสัมผัสกัน โดยทั่วไปแล้วในของแข็ง ความร้อนจะถูกถ่ายโอนโดยกระบวนการนำ การนำความร้อน อธิบายว่าวัสดุสามารถส่งผ่านความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด กำหนดโดยอัตราการไหลของพลังงานต่อหน่วยพื้นที่เมื่อเปรียบเทียบกับการไล่ระดับอุณหภูมิ
กฎการนำความร้อนของฟูริเยร์: กฎของฟูริเยร์แสดงให้เห็นว่าพลังงานความร้อนเคลื่อนที่จากวัสดุที่อุ่นกว่าไปยังวัสดุที่เย็นกว่า เขียนกฎของฟูริเยร์ได้เป็น
q = kAdT∕s
ในสมการนี้ q หมายถึงอัตราการนำความร้อน A คือพื้นที่ถ่ายเทความร้อน k คือค่าการนำความร้อนของวัสดุ dT คือความแตกต่างของอุณหภูมิทั่วทั้งวัสดุ และ s หมายถึงความหนาของวัสดุ
ตัวอย่าง:
การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าผ่านตัวกลาง การเคลื่อนไหวนี้อาจส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้า ซึ่งอาจถูกนำพาโดยอิเล็กตรอนหรือไอออน ตัวอย่างของการนำไฟฟ้าคือเมื่อคุณถูกไฟดูดโดยไม่ได้ตั้งใจเมื่อคุณสัมผัสสายไฟที่มีไฟฟ้าเพราะร่างกายของคุณมีน้ำซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้า อีกตัวอย่างหนึ่งคือเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านสายไฟซึ่งเป็นตัวนำ เราจึงสามารถดูทีวีหรือใช้คอมพิวเตอร์ได้
ค่าการนำไฟฟ้า เป็นตัววัดว่าวัสดุรองรับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าได้ดีเพียงใด ในของแข็ง เช่น โลหะ อิเล็กตรอนจะถูกผูกมัดอย่างหลวมๆ กับอะตอม เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งได้อย่างอิสระในวัตถุที่เป็นโลหะ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี้ช่วยให้เราสามารถส่งกระแสไฟฟ้าผ่านมันได้ ถ้าเราสามารถส่งกระแสไฟฟ้าผ่านวัตถุต่างๆ ได้ง่าย เราเรียกว่าตัวนำไฟฟ้าที่ดี วัสดุที่ไม่อนุญาตให้ไฟฟ้าไหลผ่านเรียกว่า ฉนวน การนำไฟฟ้าของ เซมิคอนดักเตอร์ อยู่ตรงกลางระหว่างฉนวนและตัวนำ "สุญญากาศที่สมบูรณ์แบบ" ไม่มีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า โดยปกติแล้ว เครื่องดูดฝุ่นจะทำหน้าที่เป็นฉนวนที่ดีมาก
การนำไฟฟ้าในโลหะอธิบายได้ดีตาม กฎของโอห์ม ซึ่งระบุว่ากระแสไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับสนามไฟฟ้าที่ใช้ ความง่ายที่ความหนาแน่นกระแส (กระแสต่อพื้นที่) j ปรากฏในวัสดุวัดได้จากค่าการนำไฟฟ้า σ ซึ่งกำหนดเป็น:
j = σ E,
E คือสนามไฟฟ้าที่ตำแหน่งนั้น และ σ คือการนำไฟฟ้าของวัสดุ ซึ่งเป็นการวัดความง่ายของประจุที่เคลื่อนที่ผ่านวัสดุนั้น
การนำไฟฟ้าหรือสภาพต้านทานของวัสดุเป็นคุณสมบัติที่ไม่เปลี่ยนรูปซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงตามขนาดหรือรูปร่างของวัสดุ
การชาร์จโดยการนำ:
สามารถชาร์จร่างกายได้โดยวิธีการนำไฟฟ้า ซึ่งก็คือการสัมผัส โดยการนำไฟฟ้า ร่างกายจะได้รับประจุเช่นเดียวกับบนร่างกายที่ชาร์จ
การทดลอง: ทำกระบอกกระดาษโดยม้วนแถบกระดาษบนดินสอ แล้วค่อยๆ ดึงดินสอออกมา แขวนกระบอกกระดาษด้วยด้ายที่มัดตรงกลาง เอาแท่งแก้วถูกับไหมให้มีประจุบวก แตะกระบอกกระดาษด้วยแท่งแก้วนี้ นำแท่งแก้วออกแล้วนำแท่งแก้วเข้าไปใกล้กระบอกกระดาษอีกครั้ง
คุณจะสังเกตเห็นว่ากระบอกกระดาษถูกผลักโดยแท่งแก้ว ซึ่งหมายความว่ากระบอกกระดาษได้รับประจุบวกซึ่งเป็นประจุเดียวกันกับแท่งแก้วเนื่องจากการนำไฟฟ้า
ตัวอย่าง:
การนำไฟฟ้าด้วยแสงเกิดขึ้นเมื่อวัสดุดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ส่งผลให้การนำไฟฟ้าของสารเปลี่ยนไป รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเกิดจากสิ่งง่ายๆ เช่น แสงที่ส่องบนเซมิคอนดักเตอร์ หรือสิ่งที่ซับซ้อนอย่างวัสดุที่สัมผัสกับรังสีแกมมา เมื่อเหตุการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น จำนวนของอิเล็กตรอนอิสระจะเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับจำนวนของหลุมอิเล็กตรอน ซึ่งจะทำให้การนำไฟฟ้าของวัตถุเพิ่มขึ้น สารกึ่งตัวนำที่เป็นผลึกบางชนิด เช่น ซิลิกอน เจอร์เมเนียม ตะกั่วซัลไฟด์ และแคดเมียมซัลไฟด์ และซีลีเนียมกึ่งโลหะที่เกี่ยวข้อง
ตัวอย่าง:
วัตถุใดก็ตามที่ถ่ายโอนพลังงานความร้อนหรือพลังงานไฟฟ้า หรือทั้งสองอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นตัวนำ วัสดุที่ไม่อนุญาตให้ความร้อนและไฟฟ้าผ่านได้คือฉนวน
| วัสดุที่นำความร้อนได้ดี | วัสดุที่นำไฟฟ้าได้ดี |
|
|
โดยทั่วไปแล้วโลหะจะเคลื่อนย้ายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพและเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ผ้าและไม้มีแนวโน้มที่จะนำความร้อนได้ไม่ดี โดยทั่วไปแล้ว ถ้าสารใดเป็นตัวนำพลังงานความร้อนที่ดี สารนั้นก็เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเช่นกัน สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงเสมอไป ตัวอย่างเช่น ไมกาเป็นตัวนำความร้อนแต่เป็นฉนวนไฟฟ้า น้ำเค็มเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี แต่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี โดยทั่วไปแล้ว การบรรจุอะตอมอย่างใกล้ชิดและการเคลื่อนที่ที่ค่อนข้างอิสระของอิเล็กตรอนซึ่งทำให้พลังงานความร้อนเคลื่อนที่ในสสารยังทำให้พลังงานไฟฟ้าของอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปด้วย
น้ำบริสุทธิ์ที่ไม่มีของแข็งละลายน้ำ ไม่นำไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าไหลได้ง่ายขึ้นเมื่อน้ำมีแร่ธาตุที่ละลายอยู่ในน้ำมากขึ้น โดยทั่วไปอากาศซึ่งเป็นส่วนผสมของก๊าซมักไม่เป็นตัวนำความร้อนหรือไฟฟ้าที่ดี อากาศถือเป็นฉนวนเช่นเดียวกับน้ำ แต่เมื่ออนุภาคในอากาศได้รับประจุไฟฟ้าแรงสูงจากไฟฟ้าสถิตที่สร้างขึ้น (จากสนามไฟฟ้าเมื่อฟ้าผ่าหรือจากสนามไฟฟ้าของสายไฟ) อากาศก็สามารถนำไฟฟ้าได้
น้ำเค็มเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี แต่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี: น้ำจืดเก็บความร้อนได้นานกว่าน้ำเค็มเนื่องจากการเติมเกลือจะลดความจุความร้อนของสารละลายเมื่อเทียบกับน้ำบริสุทธิ์ ความจุความร้อนที่ต่ำกว่าหมายความว่าน้ำเค็มทั้งร้อนขึ้นและเย็นลงเร็วกว่าน้ำจืดภายใต้สภาวะเดียวกัน ค่าการนำความร้อนจะลดลงเมื่อความเค็มเพิ่มขึ้นและเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การนำไฟฟ้าของน้ำขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไอออนที่ละลายอยู่ในสารละลาย เกลือโซเดียมคลอไรด์แตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นน้ำทะเลจึงนำไฟฟ้าได้ดีกว่าน้ำจืดประมาณหนึ่งล้านเท่า |
