johtuminen
avaintiedot & Yhteenveto
- johtuminen on energian siirtymistä atomista toiseen suoran kosketuksen kautta
- johtumista on kolmea päätyyppiä: ioninen johtuminen, sähköinen johtuminen ja lämpöjohtuminen
- kiintoaineet ovat tehokkaimpia johtimia, kaasut huonoimpia – tämä johtuuko se siitä, että hiukkaset ovat paljon lähempänä toisiaan
mikä on johtuminen?
Johtumisella tarkoitetaan energian siirtymistä atomista toiseen suoran kosketuksen kautta – tämä voi tapahtua joko ionien johtumisen, sähköjohtumisen tai lämmön johtumisen kautta. Johtuminen voi tapahtua kiinteissä, nesteissä ja kaasuissa – kiintoaineet toimivat tehokkaimmin, koska molekyylit ovat paljon lähempänä toisiaan kuin muissa valtioissa, kuten alla olevassa kuvassa.
kiinteän aineen hiukkaset ovat suhteellisen kiinteässä asennossa ja niiden väliset sidokset ovat hyvin vahvoja. Tämä tarkoittaa, että energian johtuminen hiukkasesta toiseen on tehokkainta tässä muodossa.
nesteen hiukkasilla ei ole kiinteää paikkaa, joten niiden väliset sidokset eivät ole yhtä vahvoja. Tämä tekee nesteistä huonoja johtimia.
kaasun hiukkaset ovat paljon kauempana toisistaan, joten energian siirto on hyvin tehotonta. Ne ovat siis erittäin huonoja johtimia.
ioninen johtuminen
ioninen johtuminen määritellään ionin liikkeeksi “paikasta” toiseen. Tämä on mahdollista kiinteän aineen tai vesiliuoksen hilarakenteessa olevien “vikojen” kautta – nämä viat mahdollistavat ionien liikkumisen sähkökentässä. Kuten näet alla olevasta kuvasta, on “tyhjä”, jonka avulla ionit voivat liikkua.
tietyillä kiinteillä aineilla on erittäin korkea ioninjohtavuus, josta on hyötyä solid-state-elektroniikassa, kuten tietokoneissa ja matkapuhelimissa. Se on myös hyödyllinen prosessi sekä normaaleissa että ladattavissa akuissa ja polttokennoissa.
ionisuoloja voidaan liuottaa myös liuokseen, jolloin sähkövirta pääsee kulkemaan. Tällöin ionit ovat sekä sähköisesti varautuneita että liikkuvia, mikä tekee niistä hyviä varauskantajia. Kiinteät suolat eivät johda sähköä, koska niillä ei yksinkertaisesti ole liikkuvia latauskantajia.
Sähköjohtuminen
metalleissa sähkönjohtavuus voi tapahtua sähköisesti varautuneiden hiukkasten liikkeen seurauksena. Kaikilla metallin atomeilla on valenssielektroneja – nämä ovat elektroneja, jotka löytyvät kunkin atomin ulkokuoresta, mutta ne ovat ‘vapaita’ liikkumaan koko rakenteessa. Näiden vapaiden elektronien liike mahdollistaa sen, että metalli johtaa sähkövirtaa. Kun he ovat vapaita liikkumaan, heitä kutsutaan delokalisoituneiksi. Ilman ulkoista vaikutusta ne liikkuvat satunnaisesti koko rakenteessa.
metalliin voidaan kohdistaa sähköpotentiaalia, yleensä akusta, ja se muodostaa sähköpiirin. Tämä aiheuttaa elektronien nettoliikunnan, joka virtaa piirin ympäri. Mitä suurempi tämä sähköinen potentiaali on, sitä suurempi on elektronien virtaus.
12-koordinoitu metalli on sellainen, jossa atomit ovat niin tiiviisti pakkautuneita, että käytettävissä oleva tila täyttyy mahdollisimman monella atomilla. Tämä konfiguraatio tarkoittaa sitä, että jokainen rakenteen atomi koskettaa 12: ta muuta atomia 3D-avaruudessa. Alla olevat kuvat osoittavat, miten tietyllä atomilla on 6 muuta, jotka koskettavat sitä samassa kerroksessa, 3 yläpuolella olevassa kerroksessa ja 3 Alla olevassa kerroksessa – tämä antaa yhteensä 12, joten nimi.
toinen konfiguraatio on 8-koordinoitunut metalli, joka esiintyy useimmiten jaksollisen järjestelmän ryhmässä 1. Nämä on pakattu vähemmän tiiviisti yhteen ja siten jokainen atomi koskettaa vain 8 muuta 3D-avaruudessa.
puolijohteita on myös olemassa. Nämä ovat aineita, joissa johtavuus sijoittuu jonnekin johtimen ja eristeen väliin, kuten pii ja hiili. Ne ovat luonnollisessa olomuodossaan suhteellisen huonoja johtimia, mutta voivat joutua “dopingin” kohteeksi – tämä on prosessi, jossa epäpuhtauksia lisätään puolijohteeseen. Puolijohteeksi, joka on seostettu, kutsutaan tämän jälkeen ulkopuolista puolijohdetta, joka johtaa sähköä paljon paremmin kuin tavallinen puolijohde.
Lämpöjohtuminen
Lämpöjohtuminen (kutsutaan joskus myös lämmönjohtumiseksi) tapahtuu, kun nopeasti liikkuvat hiukkaset vuorovaikuttavat naapurihiukkastensa kanssa siirtäen näin osan liike-energiastaan. Tämä prosessi tapahtuu alueilla, joilla on korkeampi lämpötila alueille, joilla on alhaisempi lämpötila. On 4 tärkeintä asiaa, jotka vaikuttavat nopeuteen, jolla lämpöä johdetaan:
- lämpötilaero kahden alueen välillä
- alueen “pituus”
- alueen poikkipinta-ala
- prosessi tapahtuu
metalliset kiinteät aineet lämmittävät parhaiten, kun taas kaasut lämmittävät huonoiten. Tämä johtuu kiinteän olennon hiukkasista niin lähellä, että törmäys ja siten lämpöenergian siirto on uskomattoman todennäköistä. Ne ovat hyviä lämpöjohtimia täsmälleen samoista syistä kuin ne ovat hyviä sähköjohtimia. Se on tästä syystä, että mitä suurempi tiheys kiinteän, sitä paremmin se suorittaa lämpöenergiaa.
on tärkeää muistaa, että energia siirtyy hiukkasesta toiseen, eikä prosessissa tapahdu hiukkasten kokonaisliikettä.
