przewodnictwo
kluczowe informacje & podsumowanie
- przewodnictwo to transfer energii z jednego atomu do drugiego poprzez bezpośredni kontakt
- istnieją trzy główne rodzaje przewodnictwa: przewodnictwo jonowe, przewodnictwo elektryczne i przewodnictwo cieplne
- ciała stałe są najbardziej wydajnymi przewodnikami, a gazy są najgorsze – dzieje się tak dlatego, że cząstki są znacznie bliżej siebie
Co To jest przewodnictwo?
przewodzenie definiuje się jako przekazywanie energii z jednego atomu do drugiego poprzez bezpośredni kontakt – może to być albo przez przewodzenie jonowe, przewodnictwo elektryczne lub przewodnictwo cieplne. Przewodzenie może występować w ciałach stałych, cieczach i gazach – ciała stałe działają najskuteczniej, ponieważ cząsteczki są znacznie bliżej siebie niż w innych stanach, jak pokazano na poniższym obrazku.
cząstki w ciele stałym są w stosunkowo stałym położeniu, a wiązania między nimi są bardzo silne. Oznacza to, że przewodzenie energii z jednej cząstki do drugiej jest najbardziej wydajne w tej postaci.
cząstki w cieczy nie mają stałej pozycji, więc wiązania między nimi nie są tak silne. Powoduje to, że ciecze są ubogimi przewodnikami.
cząstki w gazie są znacznie dalej od siebie, co oznacza, że transfer energii jest bardzo nieefektywny. Są więc bardzo biednymi przewodnikami.
przewodzenie jonowe
przewodzenie jonowe definiuje się jako ruch jonu z jednego “miejsca” do drugiego. Jest to możliwe dzięki “defektom” w strukturze sieciowej ciała stałego lub roztworu wodnego – defekty te umożliwiają poruszanie się jonów w polu elektrycznym. Jak widać na poniższym obrazku, jest “wakat”, który pozwala na poruszanie się jonów.
niektóre ciała stałe mają bardzo wysoką przewodność jonową, co jest przydatne w elektronice półprzewodnikowej, takiej jak komputery i telefony komórkowe. Jest to również przydatny proces zarówno w zwykłych, jak i akumulatorowych bateriach i ogniwach paliwowych.
sole jonowe mogą być również rozpuszczone w roztworze, co umożliwia przepływ prądu elektrycznego. W tym przypadku jony są zarówno naładowane elektrycznie, jak i mobilne, co czyni je dobrymi nośnikami ładunku. Sole stałe nie przewodzą energii elektrycznej, ponieważ po prostu nie mają żadnych nośników ładowania, które są mobilne.
przewodnictwo elektryczne
w metalach przewodnictwo elektryczne może wystąpić w wyniku ruchu naładowanych elektrycznie cząstek. Wszystkie atomy metalu mają elektrony walencyjne-są to elektrony, które znajdują się w zewnętrznej powłoce każdego atomu, ale są “wolne”, aby poruszać się po strukturze. Ruch tych wolnych elektronów jest tym, co umożliwia metalowi przewodzenie prądu elektrycznego. Kiedy mogą swobodnie się poruszać, są określani jako delokalizowani. Bez wpływu zewnętrznego poruszają się losowo po strukturze.
potencjał elektryczny może być zastosowany do metalu, zwykle z baterii, i utworzy obwód elektryczny. Powoduje to dryft elektronów, które przepływają wokół obwodu. Im wyższy jest ten potencjał elektryczny, tym większy będzie przepływ elektronów.
12-skoordynowany metal to taki, w którym atomy są tak ściśle upakowane, że istnieje jak najwięcej atomów wypełniających dostępną przestrzeń. Ta konfiguracja oznacza, że każdy atom w strukturze będzie dotykał 12 innych atomów w przestrzeni 3D. Poniższe zdjęcia pokazują, jak konkretny atom będzie miał 6 innych dotykających go w tej samej warstwie, 3 w warstwie powyżej i 3 w warstwie poniżej-daje to w sumie 12, stąd nazwa.
inną konfiguracją jest 8-skoordynowany metal, który najczęściej znajduje się w Grupie 1 układu okresowego. Są one mniej szczelnie upakowane i jako takie, każdy atom dotyka tylko 8 innych w przestrzeni 3D.
Są to substancje, w których przewodność spada gdzieś między przewodnikiem a izolatorem, takie jak krzem i węgiel. W stanie naturalnym są stosunkowo ubogimi przewodnikami, ale mogą podlegać “dopingowi” – jest to proces, w którym do półprzewodnika dodawane są zanieczyszczenia. Półprzewodnik, który został domieszkowany, jest następnie nazywany półprzewodnikiem zewnętrznym, który przewodzi energię elektryczną znacznie lepiej niż standardowy półprzewodnik.
Przewodnictwo Cieplne
przewodnictwo cieplne (czasami nazywane również przewodnictwem cieplnym) występuje, gdy szybko poruszające się cząstki wchodzą w interakcje z sąsiednimi cząstkami, przenosząc w ten sposób część swojej energii kinetycznej. Proces ten odbywa się z regionów o wyższej temperaturze do regionów o niższej temperaturze. Istnieją 4 główne rzeczy, które wpływają na szybkość, z jaką ciepło jest przewodzone:
- różnica temperatur między dwoma regionami
- “długość” regionu
- obszar przekroju poprzecznego regionu
- materiał proces odbywa się w
ciała stałe metaliczne przewodzą ciepło najlepiej, podczas gdy gazy przewodzą ciepło najgorzej. Jest to spowodowane cząstkami w ciele stałym w tak bliskiej odległości, że zderzenie, a tym samym przeniesienie energii cieplnej, jest niezwykle prawdopodobne. Są dobrymi przewodnikami cieplnymi z dokładnie tych samych powodów, dla których są dobrymi przewodnikami elektrycznymi. Z tego powodu im większa gęstość ciała stałego, tym lepiej będzie przewodzić energię cieplną.
ważne jest, aby pamiętać, że energia jest przenoszona z jednej cząstki do drugiej i nie ma ogólnego ruchu cząstek w tym procesie.
