Hoved (fysik)

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

En leder, leder er også i fysikken et stof , de forskellige energityper eller partikler, der er i stand til at transportere mellem forskellige steder. Der er ledere til elektricitet , varme , lys og magnetisme . Et ikke-ledende materiale kaldes en isolator .

Elektrisk leder

En elektrisk leder er et medium, der har en høj densitet af frit bevægelige ladningsbærere og derfor god elektrisk ledningsevne og den lavest mulige elektriske modstand , hvilket gør det egnet til transport af ladede partikler; [1] [2] denne transport kaldes elektrisk strøm . [3] Det synonyme, men ældgamle udtryk for en elektrisk leder, leder , beskriver i snævrere forstand en ladningssamler lavet af metal i form af en dåse eller kugle på elektrostatiske anordninger.

For elektriske ledende forbindelsestråde til strømforsyningen, se Elektriske ledninger .

Leder af 1. klasse

1. klasse leder, kobberkabel
  • Bemærk: Første klasses og anden klasses ledere skal skelnes fra de elektroteknisk standardiserede lederklasser 1 til 6 !

Førsteklasses ledere oplever ingen materielle ændringer fra den elektriske ledning.

Metaller , grafit og nogle andre kemiske forbindelser såsom niob (II) oxid er såkaldte 1. klasse ledere. Metallers ledningsevne (f.eks. Målt som specifik modstand ) er ikke baseret på antallet af elektroner på deres ydre skal ( valenselektroner ), men bestemmes primært af gitterstrukturen . Metaller danner en krystalgitterstruktur, hvor elektronerne kun er svagt bundet og kan ses som elektrongas ; det vil sige, at elektronerne kan bevæge sig mere eller mindre frit.

Den bedste elektriske leder er sølv ; kobber er næppe ringere end det, men det er lettere og meget billigere. Dette gælder endnu mere for aluminium , som har den bedste massespecifikke ledningsevne. Derfor bruges kobber (kabler, lederspor, spoler) og aluminium (talespoler til højttalere) som elektriske ledere inden for teknologi.

Ledningsevnen afhænger også af materialetemperaturen . For metaller stiger den specifikke modstand en smule med en stigning i temperaturen (se elektrisk ledningsevne # temperaturafhængighed ); for kulstof og halvledere kan modstanden også falde med en stigning i temperaturen.

Med nogle (til dels også isolerende ) materialer kan den specifikke modstand springe til nul ved meget lave temperaturer. Denne tilstand kaldes superledning .

Kvantemekanisk overvejelse

Hvis man ser på metaller med hensyn til kvantemekanik ( Bloch -bølgefunktion , Fermi -Dirac -statistik ), viser det sig, at elektronerne ikke kan acceptere nogen energi , men kun kan eksistere i bestemte energibånd - formen på disse bånd afhænger af krystallen gitter af materialet.

Fermi -energien (energien fra den mest energiske elektron ved en temperatur på 0 Kelvin ) muliggør en differentiering:

  1. Hvis Fermi -energien ligger i et tilladt bånd ( ledningsbånd ), kaldes det en leder .
  2. Hvis Fermi -energien ligger mellem de tilladte bånd, er det en

Halvledere er en særlig form: i deres rene tilstand kan deres krystalgitter opbygge stabile elektronbindinger . Elektronerne kan stige til et ledningsbånd ved en højere temperatur; derfor, i forhold til metaller, leder halvledere bedre ved højere temperaturer.

En interessant effekt i halvledere er hulledning (også kendt som fejlledning ): Elektronen, der er steget ind i ledningsbåndet, efterlader et hul i bindingen, der opfører sig på samme måde som en elektron med en positiv ladning og også bidrager til ledningsevne.

Udenlandske atomer kan også introduceres i halvledere - dette kaldes doping . De fremmede atomer enten tjener til at indføre yderligere elektroner - en så taler af n-doping (fx nitrogen i silicium krystal ) - eller indeholde færre elektroner for at indføre huller, som kaldes p-doping (fx bor i Silicon crystal).

Modeller

Superledning

Superledning kan forekomme ved lave temperaturer. Det superledende materiales modstand springer til nul under en grænsetemperatur, hvilket kan forklares kvantemekanisk . Denne grænsetemperatur afhænger af legeringen : Mens de første undersøgte superledere krævede temperaturer tæt på absolut nul , er der i dag også kendt såkaldte højtemperatur-superledere , hvor denne effekt også forekommer ved højere temperaturer. Dette er dog stadig meget lave temperaturer (under -130 ° C).

Ansøgninger

Leder af 2. klasse

Anden klasses ledere ændres væsentligt af ledelsesprocessen.

Såkaldte ionledere er 2. klasse ledere . Ledningsevnen skyldes dissociation (splitting) af den (ioniske) krystalgitterstruktur med dannelsen af elektrisk ladede , mobile ioner i den såkaldte elektrolyt . Dette kan gøres ved at opløse det i et polært opløsningsmiddel (f.eks. Vand ) eller ved at smelte .

Salt løsninger er et klassisk eksempel. Under opløsningsprocessen nedbrydes opløselige salte til opløste (som omgivet af opløsningsmidlet) positive og negative ioner; disse forårsager ledningsevnen . De positive ioner vandrer i retning af den negative katode og kaldes derfor kationer ; de negative anioner migrerer til den positive anode . De respektive ioner udlades ved elektroderne ved at overføre elektroner . Dette kan f.eks. Bruges til elektroaflejring af metal , til frigivelse af chlor (fra natriumchlorid ) eller til elektrolyse af vand til dannelse af hydrogen og ilt .

Ved højere temperaturer (over ca. 600 ° C) bliver glas (også) elektrisk ledende som en ionleder. Dette er z. B. anvendes i passende smelteovne , ved at efter traditionel opvarmning glasmeltet derefter opvarmes direkte af elektroder, der er nedsænket - det vil sige ved strømmen .

Varmeleder

Varmeledning er en af ​​tre mekanismer, hvor termisk energi kan transporteres. (De to andre muligheder er stråling og konvektion ( flow ).)

I faste stoffer transporteres varme gennem spredning af gittervibrationer. Ledningselektroner tilbyder en god måde at sprede disse stimulerende vibrationer på, hvorfor elektriske ledere, især metaller, også er gode varmeledere ( Wiedemann-Franzs lov ). Behandlingen af ​​dette fænomen foregår normalt hensigtsmæssigt i modellen med en fri eller kvasi-fri elektrongas (dvs. elektroner, der til en god tilnærmelse kan bevæge sig næsten frit i det faste stof, der kan sammenlignes med en gass mobilitet ( Drude-teori , Sommerfeld -teori )). Da elektronerne bevæges i denne linje, er der også en strøm af strøm ( Seebeck -effekt ).

I elektriske isolatorer overføres varmen hovedsageligt af gittervibrationer ( fononer ). Den termiske ledningsevne afhænger derfor af lydens hastighed .

Begge effekter forekommer i halvledere.

Gode ​​varmeledere er: Metaller.
Dårlige varmeledere er: træ, plast, salte.

I modsætning til hvad mange tror, ​​er vand en dårlig varmeleder. I modsætning til faste stoffer yder konvektion et væsentligt bidrag til varmetransport.

Andre modeller: Einstein -model af det faste stof

Elektromagnetisk bølgeleder

Højfrekvente og mikrobølgeledere

En velkendt bølgeleder til højfrekvente elektromagnetiske bølger er koaksialkablet .

Bølgelederen til mikrobølger gør brug af det faktum, at bølgerne fremkalder strømme. De består normalt af et metallisk rør (rundt eller rektangulært), hvis diameter er lidt større end halvdelen af ​​bølgelængden af ​​den bølge, der skal transporteres.

Waveguide

En bølgeleder er en bølgeleder til elektromagnetiske bølger hovedsageligt i centimeterbølgeområdet (3 til 30 GHz). Bølgeledere er runde eller rektangulære metalrør, hvor sådanne høje frekvenser kan overføres med meget lille tab, i modsætning til kabler.

lys

Optiske ledere, eller mere præcist: optiske bølgeledere fås i to designs:

  • endimensionel:
Et eksempel på sådanne er glasfibre , der fungerer som optiske bølgeledere . Med konventionelle glasfibre styres lyset ved hjælp af total refleksion ; i nogle moderne varianter styres lyset i stedet ved hjælp af fotoniske krystaller .
  • todimensionel:
Et eksempel her er plane bølgeledere. Disse er z. B. bruges i halvlederlasere .

Magnetisk leder

Permeabilitetstal for udvalgte materialer
medium µ r Klassifikation
Superledere af den første slags 0 ideelt diamagnetisk
Bly , tin , kobber <1 diamagnetisk
vakuum 1 (neutral per definition)
Luft , aluminium , platin > 1 paramagnetisk
kobolt 80 ... 200 ferromagnetisk
jern 300 ... 10.000 ferromagnetisk
Ferritter 4… 15.000 ferromagnetisk
Mumetall (NiFe), udglødet i hydrogen 50.000 ... 140.000 ferromagnetisk

Den magnetiske ledningsevne, også kaldet magnetisk permeabilitet ( μ ), er et mål for permeabiliteten for magnetfelter . Det er tæt forbundet med magnetisk modtagelighed . Permeabilitet er forholdet mellem den magnetiske fluxdensitet B og magnetfeltstyrken H.

.

Magnetfeltkonstanten μ 0 er en fysisk konstant for vakuumets magnetiske ledningsevne. Permeabilitetstallet μ r , tidligere også omtalt som relativ permeabilitet, er forholdet mellem μ og magnetfeltkonstanten μ 0 .

For vakuumet er der følgelig et permeabilitetstal på 1. Størrelsen af ​​dimensionstallet μ r afhænger af den magnetiske modtagelighed χ via formlen sammen.

Superlederes fuldstændige uigennemtrængelighed for magnetfelter kaldes Meissner-Ochsenfeld-effekten .

Se også

litteratur

  • Horst Stöcker : Lommebog over fysik. 4. udgave Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000. ISBN 3-8171-1628-4
  • Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektroteknik specialistuddannelse i industriel elektronik. 1 udgave. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998. ISBN 3-14-221730-4
  • Günter Springer: Ekspertise i elektroteknik. 18. udgave Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989. ISBN 3-8085-3018-9

Weblinks

Commons : Elektriske ledere - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. ^ Rainer Ose: Elektroteknik til ingeniører: Grundlæggende . Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2013, ISBN 978-3-446-43955-9 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning [åbnet 8. december 2016]).
  2. Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing, Stefan Blügel: Lærebog i eksperimentel fysik 6. Solid . Walter de Gruyter, 2005, ISBN 978-3-11-017485-4 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning [åbnet 8. december 2016]).
  3. ^ Moeller grundlæggende inden for elektroteknik . Springer-Verlag, 2008, ISBN 978-3-8351-0109-8 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning [åbnet 27. november 2016]).