ledning
nyckelinformation & sammanfattning
- ledning är överföring av energi från en atom till en annan genom direktkontakt
- det finns tre huvudtyper av ledning: jonisk ledning, elektrisk ledning och termisk ledning
- fasta ämnen är de mest effektiva ledarna, med gaser som är värst – detta beror på att partiklarna är mycket närmare varandra
Vad är ledning?
ledning definieras som överföring av energi från en atom till en annan genom direktkontakt – detta kan antingen ske genom jonledning, elektrisk ledning eller värmeledning. Ledning kan förekomma i fasta ämnen, vätskor och gaser – fasta ämnen leder mest effektivt eftersom molekylerna är mycket närmare varandra än i andra tillstånd, som visas i bilden nedan.
partiklar i ett fast ämne är i ett relativt fast läge och bindningarna mellan dem är mycket starka. Detta innebär att ledningen av energi från en partikel till en annan är mest effektiv i denna form.
partiklarna i en vätska har inte en fast position och så är bindningarna mellan dem inte lika starka. Detta gör vätskor dåliga ledare.
partiklarna i en gas är mycket längre ifrån varandra vilket innebär att överföringen av energi är mycket ineffektiv. De är därför mycket dåliga ledare.
jonisk ledning
jonisk ledning definieras som rörelsen av en jon från en ‘plats’ till en annan. Detta är möjligt genom ‘defekter’ i gitterstrukturen hos en fast eller en vattenlösning – dessa defekter tillåter jonerna att röra sig i ett elektriskt fält. Som du kan se på bilden nedan finns det en ‘ledig’ som gör att jonerna kan röra sig.
vissa fasta ämnen har mycket hög jonkonduktivitet, vilket är användbart i halvledarelektronik som datorer och mobiltelefoner. Det är också en användbar process i både vanliga och uppladdningsbara batterier och bränsleceller.
Joniska salter kan också lösas i lösning, vilket sedan tillåter en elektrisk ström att strömma. I detta fall är jonerna både elektriskt laddade och mobila, vilket gör dem till bra laddningsbärare. Fasta salter leder inte elektricitet eftersom de helt enkelt inte har några laddningsbärare som är mobila.
elektrisk ledning
i metaller kan elektrisk ledningsförmåga ske som ett resultat av rörelsen av elektriskt laddade partiklar. Metallatomerna har alla valenselektroner – det här är elektroner som finns i det yttre skalet på varje atom, men de är ‘fria’ att röra sig genom strukturen. Förflyttningen av dessa fria elektroner är det som gör det möjligt för metall att leda en elektrisk ström. När de är fria att röra sig, kallas de för delokaliserade. Utan yttre påverkan rör de sig slumpmässigt genom hela strukturen.
en elektrisk potential kan appliceras på en metall, vanligtvis från ett batteri, och kommer att bilda en elektrisk krets. Detta orsakar en nätdrift av elektroner som flyter runt kretsen. Ju högre denna elektriska potential är desto högre blir flödet av elektroner.
en 12-koordinerad metall är en där atomerna är så nära packade att det finns så många atomer som möjligt som fyller det tillgängliga utrymmet. Denna konfiguration innebär att varje atom i strukturen kommer att röra 12 andra atomer i 3D-rymden. Bilderna nedan visar hur en viss atom kommer att ha 6 andra som rör den i samma lager, 3 i skiktet ovan och 3 i skiktet nedan – Detta ger totalt 12, därav namnet.
en annan konfiguration är den 8-samordnade metallen, som oftast finns i Grupp 1 i det periodiska bordet. Dessa packas mindre tätt ihop och som sådan berör varje atom bara 8 andra i 3D-rymden.
halvledare finns också. Dessa är ämnen där konduktiviteten faller någonstans mellan en ledare och en isolator, såsom kisel och kol. I sitt naturliga tillstånd är de relativt dåliga ledare men kan bli föremål för dopning – det här är en process där föroreningar läggs till en halvledare. En halvledare som har dopats kallas då en yttre halvledare som leder elektricitet mycket bättre än en standard halvledare.
värmeledning
värmeledning (ibland även kallad värmeledning) uppstår när snabbt rörliga partiklar interagerar med sina närliggande partiklar, vilket överför en del av deras kinetiska energi. Denna process sker från regioner med högre temperatur till regioner med lägre temperatur. Det finns 4 huvudsakliga saker som påverkar den hastighet med vilken värme utförs:
- temperaturskillnaden mellan de två regionerna
- regionens ‘längd’
- områdets tvärsnittsarea
- det material som processen äger rum i
metalliska fasta ämnen leder värme bäst, medan gaser leder värme värst. Detta beror på att partiklarna i ett fast ämne befinner sig så nära att en kollision, och därmed överföring av termisk energi, är otroligt sannolikt. De är bra värmeledare av exakt samma skäl som de är bra elektriska ledare. Det är av den anledningen att ju högre densiteten hos det fasta materialet desto bättre kommer det att leda termisk energi.
det är viktigt att komma ihåg att energi överförs från en partikel till en annan, och det finns ingen övergripande rörelse av partiklar i processen.
