Hoved (fysik)

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:

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

Isolator, når den energiske afstand mellem valensbåndet og ledningsbåndet er stor i forhold til den termiske energi ;
ellers er det en halvleder .

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

til meget følsomme sensorer til elektromagnetiske felter
at reducere modstandstabet i elektriske systemer
tabsfri transport af elektricitet

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.

\mu ={\frac {\left|{\vec {B}}\right|}{\left|{\vec {H}}\right|}}

{\ displaystyle \ mu = {\ frac {\ venstre | {\ vec {B}} \ højre |} {\ venstre | {\ vec {H}} \ højre |}}}

\ mu = {\ frac {\ venstre | {\ vec {B}} \ højre |} {\ venstre | {\ vec {H}} \ højre |}}

.

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 .

\mu _{\mathrm {r} }={\frac {\mu }{\mu _{0}}}

{\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {r}} = {\ frac {\ mu} {\ mu _ {0}}}}

\ mu _ {\ mathrm {r}} = {\ frac {\ mu} {\ mu _ {0}}}

For vakuumet er der følgelig et permeabilitetstal på 1. Størrelsen af dimensionstallet μ _r afhænger af den magnetiske modtagelighed χ via formlen $\mu _{\mathrm {r} }=1+\chi$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {r}} = 1 + \ chi}$ $\ mu _ {\ mathrm {r}} = 1 + \ chi$ 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

^ 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]).
↑ 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]).
^ Moeller grundlæggende inden for elektroteknik . Springer-Verlag, 2008, ISBN 978-3-8351-0109-8 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning [åbnet 27. november 2016]).

[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]).

[1]

[2]

[3]