Conduction

nøgleinformation & Resume

• Conduction er overførsel af energi fra et atom til et andet gennem direkte kontakt
• der er tre hovedtyper af ledning: ionledning, elektrisk ledning og termisk ledning
• faste stoffer er de mest effektive ledere, med gasser, der er de værste – dette er en er fordi partiklerne er meget tættere sammen

Hvad er Ledning?

Ledning defineres som overførsel af energi fra et atom til et andet gennem direkte kontakt – dette kan enten være gennem ionisk ledning, elektrisk ledning eller varmeledning. Ledning kan forekomme i faste stoffer, væsker og gasser – faste stoffer fungerer mest effektivt, fordi molekylerne er meget tættere på hinanden end i andre tilstande, som vist på billedet nedenfor.

partikler i et fast stof er i en relativt fast position, og bindingerne mellem dem er meget stærke. Dette betyder, at ledningen af energi fra en partikel til en anden er mest effektiv i denne form.

partiklerne i en væske har ikke en fast position, og bindingerne mellem dem er derfor ikke så stærke. Dette gør væsker dårlige ledere.

partiklerne i en gas er meget længere fra hinanden, hvilket betyder, at overførslen af energi er meget ineffektiv. De er derfor meget dårlige ledere.

Ionledning

Ionledning defineres som bevægelsen af en ion fra et ‘sted’ til et andet. Dette er muligt gennem ‘defekter’ i gitterstrukturen i et fast stof eller en vandig opløsning – disse defekter tillader ionerne at bevæge sig i et elektrisk felt. Som du kan se på billedet nedenfor, er der en ‘ledig stilling’, der gør det muligt for ionerne at bevæge sig.

visse faste stoffer har meget høj ionisk ledningsevne, hvilket er nyttigt i solid-state elektronik såsom computere og mobiltelefoner. Det er også en nyttig proces i både normale og genopladelige batterier og brændselsceller.

Ioniske salte kan også opløses i opløsning, som derefter tillader en elektrisk strøm at strømme. I dette tilfælde er ionerne både elektrisk ladede og mobile, hvilket gør dem til gode ladningsbærere. Faste salte leder ikke elektricitet, fordi de simpelthen ikke har nogen opladningsbærere, der er mobile.

elektrisk ledning

i metaller kan elektrisk ledningsevne ske som følge af bevægelsen af elektrisk ladede partikler. Atomerne af metal har alle valenselektroner-disse er elektroner, der findes i den ydre skal af hvert atom, men de er ‘frie’ til at bevæge sig gennem strukturen. Bevægelsen af disse frie elektroner er det, der gør det muligt for metal at lede en elektrisk strøm. Når de er fri til at bevæge sig rundt, kaldes de for at blive delokaliseret. Uden ekstern indflydelse bevæger de sig tilfældigt gennem hele strukturen.

et elektrisk potentiale kan påføres et metal, normalt fra et batteri, og vil danne et elektrisk kredsløb. Dette medfører en nettodrift af elektroner, der strømmer rundt i kredsløbet. Jo højere dette elektriske potentiale er, desto højere vil strømmen af elektroner være.

et 12-koordineret metal er et, hvor atomerne er så tæt pakket, at der er så mange atomer som muligt, der fylder det ledige rum. Denne konfiguration betyder, at hvert atom i strukturen vil berøre 12 andre atomer i 3D-rummet. Billederne nedenfor viser, hvordan et bestemt atom vil have 6 andre, der rører ved det i det samme lag, 3 i laget ovenfor og 3 i laget nedenfor – dette giver i alt 12, deraf navnet.

en anden konfiguration er det 8-koordinerede metal, som oftest findes i gruppe 1 i det periodiske system. Disse er pakket mindre tæt sammen, og som sådan berører hvert atom kun 8 andre i 3D-rum.

halvledere findes også. Disse er stoffer, hvor ledningsevnen falder et sted mellem en leder og en isolator, såsom silicium og kulstof. I deres naturlige tilstand er de relativt dårlige ledere, men kan udsættes for ‘doping’ – dette er en proces, hvor urenheder tilsættes til en halvleder. En halvleder, der er blevet doteret, kaldes derefter en ydre halvleder, der leder elektricitet meget bedre end en standard halvleder.

termisk ledning

termisk ledning (undertiden også kaldet varmeledning) opstår, når hurtigt bevægelige partikler interagerer med deres nabopartikler og således overfører en del af deres kinetiske energi. Denne proces sker fra regioner med en højere temperatur til regioner med en lavere temperatur. Der er 4 vigtigste ting, der påvirker den hastighed, hvormed varmen udføres:

1. temperaturforskellen mellem de to regioner
2. regionens ‘længde’
3. regionens tværsnitsareal
4. materialet processen finder sted i

metalliske faste stoffer leder varmen bedst, mens gasser leder varmen værst. Dette skyldes partiklerne i et fast væsen i så tæt nærhed, at en kollision og dermed overførsel af termisk energi er utroligt sandsynlig. De er gode termiske ledere af nøjagtig de samme grunde, de er gode elektriske ledere. Det er derfor, at jo højere tætheden af det faste stof er, desto bedre vil det lede termisk energi.

det er vigtigt at huske, at energi overføres fra en partikel til en anden, og der er ingen samlet bevægelse af partikler i processen.