Wat is geleiding?

Geleiding verwijst naar de overdracht van energie door de beweging van deeltjes die met elkaar in contact staan. In de natuurkunde wordt het woord "geleiding" gebruikt om drie verschillende soorten gedrag te beschrijven, die worden bepaald door het type energie dat wordt overgedragen:

• Warmtegeleiding (of thermische geleiding) is de overdracht van energie van een warmere substantie naar een koudere via direct contact, zoals iemand die het handvat van een hete metalen koekenpan aanraakt.
• Elektrische geleiding is de overdracht van elektrisch geladen deeltjes door een medium, zoals elektriciteit die door de hoogspanningsleidingen in uw huis reist.
• Geluidsgeleiding (of akoestische geleiding) is de overdracht van geluidsgolven door een medium, zoals trillingen van luide muziek die door een muur gaat.

Een materiaal dat voor een goede geleiding zorgt, wordt a genoemd geleider, terwijl een materiaal dat slechte geleiding biedt, een wordt genoemd isolator.

Warmtegeleiding

Warmtegeleiding kan op atomair niveau worden begrepen als deeltjes die warmte-energie fysiek overdragen wanneer ze in fysiek contact komen met aangrenzende deeltjes. Dit is vergelijkbaar met de verklaring van warmte door de kinetische theorie van gassen, hoewel de overdracht van warmte binnen een gas of vloeistof meestal convectie wordt genoemd. De snelheid van warmteoverdracht in de loop van de tijd wordt de warmtestroom genoemd en wordt bepaald door de warmtegeleiding van het materiaal, een hoeveelheid die aangeeft hoe gemakkelijk warmte in het materiaal wordt geleid.

Als bijvoorbeeld een ijzeren staaf aan een uiteinde wordt verwarmd, zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding, wordt de warmte fysiek opgevat als de trilling van de afzonderlijke ijzeratomen in de staven. De atomen aan de koelere kant van de balk trillen met minder energie. Terwijl de energetische deeltjes trillen, komen ze in contact met aangrenzende ijzeratomen en geven een deel van hun energie aan die andere ijzeratomen. Na verloop van tijd verliest het hete uiteinde van de balk energie en krijgt het koele uiteinde van de balk energie, totdat de hele balk dezelfde temperatuur heeft. Dit is een toestand die bekend staat als thermisch evenwicht.

Bij het overwegen van warmteoverdracht ontbreekt echter in het bovenstaande voorbeeld een belangrijk punt: de ijzeren staaf is geen geïsoleerd systeem. Met andere woorden, niet alle energie van het verwarmde ijzeratoom wordt door geleiding overgebracht naar de aangrenzende ijzeratomen. Tenzij het wordt opgehangen door een isolator in een vacuümkamer, staat de ijzeren staaf ook in fysiek contact met een tafel of aambeeld of een ander object en staat hij ook in contact met de lucht eromheen. Wanneer luchtdeeltjes in contact komen met de staaf, zullen ook deze energie winnen en deze van de staaf afvoeren (hoewel langzaam, omdat de thermische geleidbaarheid van niet-bewegende lucht zeer klein is). De balk is ook zo heet dat hij gloeit, wat betekent dat hij een deel van zijn warmte-energie in de vorm van licht uitstraalt. Dit is een andere manier waarop de vibrerende atomen energie verliezen. Als deze met rust wordt gelaten, zal de balk uiteindelijk afkoelen en thermisch evenwicht bereiken met de omringende lucht.

Elektrische geleiding

Elektrische geleiding vindt plaats wanneer een materiaal er een elektrische stroom doorheen laat gaan. Of dit mogelijk is, hangt af van de fysieke structuur van hoe de elektronen in het materiaal worden gebonden en hoe gemakkelijk de atomen een of meer van hun buitenelektronen kunnen afgeven aan aangrenzende atomen. De mate waarin een materiaal de geleiding van een elektrische stroom remt, wordt de elektrische weerstand van het materiaal genoemd.

Bepaalde materialen, wanneer ze worden afgekoeld tot bijna absoluut nul, verliezen alle elektrische weerstand en laten elektrische stroom erdoorheen stromen zonder verlies van energie. Deze materialen worden supergeleiders genoemd.

Geluidsgeleiding

Geluid wordt fysiek gecreëerd door trillingen, dus het is misschien het meest voor de hand liggende voorbeeld van geleiding. Een geluid zorgt ervoor dat de atomen in een materiaal, vloeistof of gas trillen en het geluid door het materiaal sturen of geleiden. Een sonische isolator is een materiaal waarvan de individuele atomen niet gemakkelijk trillen, waardoor het ideaal is voor gebruik bij geluidsisolatie.