Провідність — це процес, за допомогою якого щось, наприклад тепло або електричний струм, переходить від однієї речовини до іншої. Провідність має місце в твердих тілах, рідинах і газах. Однак тверді тіла передають енергію найефективніше, оскільки молекули твердих тіл упаковані найщільніше, а молекули розташовані ближче одна до одної.
Проведення тепла відбувається, коли молекули підвищуються температури; вони вібрують, і ця вібрація та рух передають теплову енергію навколишнім молекулам.
Коли два тіла з різними температурами знаходяться в контакті, тепло переходить від тіла з високою температурою до тіла з низькою температурою . Середня кінетична енергія речовини є мірою температури тіла. При збільшенні середньої кінетичної енергії молекул речовини її температура зростає, а при зниженні середньої кінетичної енергії молекул речовини її температура знижується.
Тримайте сковорідку на вогні. Сковорода швидко розжарюється, тому що тепло переходить від полум'я до сковороди. Тепер зніміть каструлю з вогню. Поступово каструля охолоне, оскільки тепло передається від каструлі навколишньому середовищу. В обох випадках тепло переходить від більш гарячого об’єкта до більш холодного.
Ви б відчули, що якщо ви торкнетеся гарячої чашки чаю, ваша рука відчує гарячість чашки. Причина в тому, що частина теплової енергії передається від чашки до вашої руки. Тепло передається від гарячого предмета до холодного, якщо між ними є контакт. У фізиці ми говоримо, що для передачі тепла потрібне середовище. Теплопровідність - це переміщення тепла від одного об'єкта до іншого, який має різну температуру, коли вони торкаються один одного. У твердих тілах, як правило, тепло передається шляхом провідності. Теплопровідність описує, наскільки ефективно матеріал може пропускати тепло через нього. Він визначається швидкістю потоку енергії на одиницю площі порівняно з градієнтом температури.
Закон теплопровідності Фур'є: Закон Фур'є показує, що теплова енергія переходить від тепліших матеріалів до холодніших. Закон Фур'є можна записати так
q = kAdT∕s
У цьому рівнянні q означає швидкість теплопровідності, A — площа теплопередачі, k — теплопровідність матеріалу, dT — різницю температур у матеріалі, а s — товщину матеріалу.
приклади:
Проведення електрики відбувається внаслідок руху електрично заряджених частинок у середовищі. Цей рух може призвести до виникнення електричного струму, який переноситься електронами або іонами. Прикладом електричної провідності є випадкове ураження електричним струмом, коли ви торкаєтеся дроту під напругою, оскільки ваше тіло містить воду, яка є провідником електрики. Інший приклад: електрика проходить через дроти, які є провідниками, тому ми можемо дивитися телевізор або користуватися комп’ютером.
Електропровідність є мірою того, наскільки добре матеріал пристосовується до руху електричного заряду. У твердих тілах, таких як метали, електрони нещільно зв’язані з атомами, завдяки чому електрони можуть вільно переходити від атома до атома в металевому об’єкті. Ця рухливість електронів дозволяє нам пропускати через нього електричний струм. Якщо ми можемо легко пропускати електричний струм через предмети, ми називаємо їх хорошими провідниками електрики. Матеріали, які не пропускають через них електрику, відомі як ізолятори. Провідність напівпровідників є проміжною між електропровідністю ізолятора та провідника. «Ідеальний вакуум» не містить заряджених частинок; вакуум зазвичай поводиться як дуже хороший ізолятор.
Провідність металів добре описується законом Ома , який стверджує, що сила струму пропорційна прикладеному електричному полю. Легкість, з якою щільність струму (струм на площу) j з’являється в матеріалі, вимірюється провідністю σ , яка визначається як:
j = σ E,
E — електричне поле в цьому місці, а σ — провідність матеріалу, міра того, наскільки легко заряди рухаються крізь нього.
Електропровідність або питомий опір матеріалу є незмінною властивістю, яка не змінюється залежно від розміру або форми матеріалу.
Зарядка провідністю:
Тіла можна заряджати методом провідності, тобто контактом. За допомогою провідності тіло набуває такого ж заряду, як і на тілі, що заряджається.
Експеримент: зробіть паперовий циліндр, накрутивши смужку паперу на олівець, а потім обережно витягнувши олівець. Підвісьте паперовий циліндр за нитку, прив’язану до його центру. Візьміть скляну паличку і натріть її шовком, щоб вона мала позитивний заряд. Торкніться паперового циліндра цією скляною паличкою. Зніміть скляну паличку, а потім знову піднесіть її до паперового циліндра.
Ви помітите, що паперовий циліндр відштовхується від скляної палички. Це означає, що паперовий циліндр отримав позитивний заряд, який дорівнює заряду скляної палички завдяки провідності.
приклади:
Фотопровідність виникає, коли матеріал поглинає електромагнітне випромінювання, що призводить до зміни електропровідності речовини. Електромагнітне випромінювання може бути спричинене чимось таким простим, як світло, що блищить на напівпровідник, або чимось настільки складним, як матеріал, що піддається гамма-випромінюванню. Коли відбувається електромагнітна подія, кількість вільних електронів збільшується, як і кількість електронних дірок, таким чином збільшуючи електропровідність об’єкта. Деякі кристалічні напівпровідники, такі як кремній, германій, сульфід свинцю та сульфід кадмію, а також споріднений напівметал селен, мають сильну фотопровідність.
приклади:
Будь-який об’єкт, який ефективно передає теплову або електричну енергію, або обидва, є провідником. Матеріали, які не пропускають через себе тепло і електрику, є ізоляторами.
| Матеріали з хорошою теплопровідністю | Матеріали з хорошою електропровідністю |
|
|
Метали зазвичай ефективно передають тепло і є хорошими теплопровідниками. Тканини та деревина, як правило, погано проводять тепло. Як правило, якщо речовина є хорошим провідником теплової енергії, вона також буде хорошим провідником електрики. Це не завжди вірно; наприклад, слюда є теплопровідником, але є електроізолятором. Морська вода погано проводить тепло, але добре проводить електрику. Проте, загалом, така ж щільна упаковка атомів і відносно вільний рух їхніх електронів, які змушують теплову енергію рухатися в речовині, також змушує рухатися електричну енергію електронів.
Чиста вода без розчинених твердих речовин не є електропровідною. Електричний струм тече легше, коли у воді більше розчинених мінералів. Повітря, суміш газів, як правило, не є хорошим провідником ні тепла, ні електрики. Повітря, як і вода, вважається ізолятором. Однак коли частинки в повітрі отримують сильний електричний заряд, скажімо, від накопиченої статики (від електричного поля, коли блискавка ось-ось вдарить, або від електричного поля лінії електропередач), повітря може проводити електрику.
Морська вода погано проводить тепло, але добре проводить електричний струм: Прісна вода утримує тепло довше, ніж солона, оскільки додавання солі знижує теплоємність розчину порівняно з чистою водою. Менша теплоємність означає, що солона вода як нагрівається, так і охолоджується швидше, ніж прісна вода за тих самих умов. Теплопровідність зменшується з підвищенням солоності і збільшується з підвищенням температури. Електропровідність води залежить від концентрації розчинених іонів у розчині. Сіль хлориду натрію дисоціює на іони. Отже, морська вода є приблизно в мільйон разів більшою електропровідністю, ніж прісна. |
