Pää (fysiikka)

Johtaja , myös johdin on, on fysiikan aine , eri energian tai hiukkasia , joka kykenee kuljettamaan eri paikkojen välillä. Johtimia on sähköä , lämpöä , valoa ja magneettisuutta varten . Johtamatonta materiaalia kutsutaan eristimeksi .

Sähköjohdin

Sähköjohdin on väliaine , jolla on suuri tiheys vapaasti liikkuvilla varauksen kantajilla ja siten hyvä sähkönjohtavuus ja pienin mahdollinen sähköinen vastus , mikä tekee siitä sopivan varattujen hiukkasten kuljettamiseen ; tätä liikennettä kutsutaan sähkövirraksi . Synonyymi, mutta muinainen termi sähkönjohtimelle, johtimelle , kuvaa kapeammassa mielessä latauskerääjää, joka on valmistettu metallista tölkin tai pallon muodossa sähköstaattisissa laitteissa.

Katso sähköjohtavat liitäntäjohdot virtalähteestä kohdasta Sähköjohdotus .

1. luokan johtaja

• Huomaa: Ensimmäisen luokan ja toisen luokan johtimet on erotettava sähköteknisesti standardoiduista johtimien luokista 1-6 !

Ensiluokkaisissa johtimissa ei tapahdu mitään materiaalimuutosta sähkönjohtimessa .

Metallit , grafiitti ja jotkut muut kemialliset yhdisteet, kuten niobium (II) oksidi, ovat niin sanottuja 1. luokan johtimia. Metallien johtavuus (esim. Mitattuna ominaisresistanssina ) ei perustu niiden ulkokuoressa olevien elektronien lukumäärään ( valenssielektronit ), mutta se määräytyy ensisijaisesti hilarakenteesta . Metallit muodostavat kideverkon rakenteen, johon elektronit ovat vain heikosti sitoutuneita ja joita voidaan pitää elektronikaasuna ; eli elektronit ovat enemmän tai vähemmän vapaita liikkua.

Paras sähköjohdin on hopea ; kupari on tuskin huonompi kuin sen, mutta se on kevyempi ja paljon halvempi. Tämä koskee vielä enemmän alumiinia , jolla on paras massakohtainen johtavuus. Siksi kuparia (kaapelit, johtokiskot, kelat) ja alumiinia (kaiuttimien puhekelat) käytetään sähköjohtimina tekniikassa.

Johtavuus riippuu myös materiaalin lämpötilasta. Metallien tapauksessa ominaisvastus kasvaa hieman lämpötilan noustessa (katso sähkönjohtavuus # lämpötilariippuvuus ); tapauksessa hiilen ja puolijohteet , vastus voi myös vähentää kanssa lämpötilan noustessa.

Joillakin (osittain myös eristävillä ) materiaaleilla ominaisvastus voi hypätä nollaan hyvin matalissa lämpötiloissa. Tätä tilaa kutsutaan suprajohtavuudeksi .

Kvanttimekaaninen huomio

Jos tarkastellaan metalleja kvanttimekaniikan suhteen ( Bloch-aaltofunktio , Fermi-Dirac-tilastot ), tuloksena on, että elektronit eivät voi hyväksyä mitään energiaa , vaan ne voivat esiintyä vain tietyillä energiakaistoilla - näiden nauhojen muoto riippuu kidesäleiköstä materiaalista.

Fermienergia (energia kaikkein energinen elektroni lämpötilassa 0  Kelvin ) mahdollistaa ero voidaan tehdä:

1. Jos Fermi-energia on sallitussa kaistassa ( johtumisalue ), sitä kutsutaan johtimeksi .
2. Jos Fermi-energia on sallittujen kaistojen välissä, se on a

• Eristin, kun valenssikaistan ja johtamiskaistanvälinen energinen etäisyyson suuri verrattuna lämpöenergiaan ;
• muuten se on puolijohde .

Puolijohteet ovat erityinen muoto: puhtaassa tilassa kristalliristikkonsa voivat rakentaa vakaita elektronisidoksia . Elektronit voivat nousta johtamiskaistalle korkeammassa lämpötilassa; siksi puolijohteet johtavat paremmin metalleihin verrattuna korkeammissa lämpötiloissa.

Mielenkiintoinen vaikutus puolijohteissa on reiän johtuminen (myös tyhjiöjohto ): Johtokaistan elektroni nousee jättämään sidokseen aukon, joka on samanlainen, käyttäytyy elektronilla, jolla on positiivinen varaus ja joka myös vaikuttaa johtavuuteen.

Ulkomaisia ​​atomeja voidaan myös tuoda puolijohteisiin - tätä kutsutaan dopingiksi . Palvella epäpuhtauden joko ottaa käyttöön uusia elektroneja - tätä kutsutaan n-tyypin epäpuhtautta (esim. Typpi on pii kide ) - tai sisältää vähemmän elektroneja, reikiä käyttöön, p-tyypin seostus on nimeltään (esim. Boori Silicon kide).

Mallit

• Raaka teoria
• Sommerfeld-teoria
• Bloch-teoria

Suprajohtavuus

Suprajohtavuutta voi esiintyä matalissa lämpötiloissa. Suprajohtavan materiaalin vastus hyppää nollaan rajalämpötilan alapuolelle, mikä voidaan selittää kvanttimekaniikalla . Tämä rajalämpötila riippuu seoksesta : Vaikka ensimmäiset tutkitut suprajohteet vaativat lähellä absoluuttista nollaa olevia lämpötiloja, nykyään tunnetaan myös ns. Korkean lämpötilan suprajohteita , joissa tämä vaikutus esiintyy myös korkeammissa lämpötiloissa. Nämä ovat kuitenkin edelleen hyvin alhaisia ​​lämpötiloja (alle -130 ° C).

Sovellukset

• erittäin herkkä anturit varten sähkömagneettisten kenttien
• vähentää vastushäviöitä sähköjärjestelmissä
• häviötön sähkönsiirto

2. luokan päällikkö

Hallintaprosessi muuttaa toisen luokan johtimia olennaisesti .

Niin kutsutut ionijohtimet ovat 2. luokan johtimia . Johtavuus johtuu (ionisen) kideverkon rakenteen dissosiaatiosta (jakautumisesta) muodostumalla sähköisesti varautuneita , liikkuvia ioneja ns. Elektrolyyttiin . Tämä voidaan tehdä liuottamalla polaariseen liuottimeen (kuten veteen ) tai sulattamalla .

Suolaa ratkaisut ovat klassinen esimerkki . Liukenemisprosessin aikana liukoiset suolat hajotetaan solvatoituneiksi (liuottimen ympäröiminä) positiivisiksi ja negatiivisiksi ioneiksi; nämä aiheuttavat johtavuuden . Positiiviset ionit kulkeutuvat negatiivisen katodin suuntaan, ja siksi niitä kutsutaan kationeiksi ; negatiiviset anionit siirtyvät positiiviseen anodiin . Vastaavat ionit poistetaan on elektrodien siirtämällä elektroneja . Tätä voidaan käyttää esimerkiksi metallin sähkösaostamiseen , kloorin vapautumiseen ( natriumkloridista ) tai veden elektrolyysiin vedyn ja hapen muodostamiseksi .

Korkeimmissa lämpötiloissa (yli noin 600 ° C) lasi (myös) muuttuu sähköä johtavaksi ionijohtimena. Tämä on z. B. käytetään tarkoituksenmukaisissa sulatusuunissa siten , että tavanomaisen kuumennuksen jälkeen lasisulaa kuumennetaan suoraan upotetuilla elektrodeilla - toisin sanoen virran virtauksella .

Lämmönjohdin

Lämmön johtuminen on yksi kolmesta mekanismista, jossa lämpöenergiaa voidaan kuljettaa. (Kaksi muuta vaihtoehtoa ovat säteily ja konvektio ( virtaus ).)

In kiinteät aineet , lämpö kuljetetaan läpi etenemistä hilavärähtelyjen. Johtuselektronit tarjoavat hyvän tavan levittää näitä stimuloivia värähtelyjä, minkä vuoksi sähköjohtimet, erityisesti metallit, ovat myös hyviä lämmönjohtimia ( Wiedemann-Franzin laki ). Tämän ilmiön hoito tapahtuu yleensä tarkoituksenmukaisesti vapaan tai lähes vapaan elektronikaasun mallissa (ts. Elektronit, jotka hyvässä arvioinnissa voivat liikkua melkein vapaasti kiinteässä aineessa, verrattavissa kaasun liikkuvuuteen ( Drude-teoria , Sommerfeldin teoria )). Koska elektroneja liikutetaan tässä linjassa, on myös virtavirta ( Seebeck-vaikutus ).

Sähköeristeissä lämpö siirtyy pääasiassa ristivärähtelyillä ( fononeilla ). Lämmönjohtavuus riippuu siis äänen nopeudesta .

Molemmat vaikutukset esiintyvät puolijohteissa.

Hyviä lämmönjohtimia ovat: metallit.
Huonoja lämmönjohtimia ovat puu, muovit, suolat.

Toisin kuin yleisesti uskotaan, vesi on huono lämmönjohdin. Kiinteistä aineista poiketen konvektiolla on merkittävä vaikutus lämmönsiirtoon .

Muut mallit: Kiinteän aineen Einstein-malli

Sähkömagneettinen aaltojohde

Suurtaajuus- ja mikroaaltojohtimet

Koaksiaalikaapeli on tunnettu korkeataajuisten sähkömagneettisten aaltojen aaltojohde .

Mikroaaltojen aaltojohde käyttää tosiasiaa, että aallot indusoivat virtoja. Ne koostuvat yleensä metalliputkesta (pyöreästä tai suorakulmaisesta), jonka halkaisija on hieman suurempi kuin puolet kuljetettavan aallon aallonpituudesta.

Aaltojohto

Aaltojohde on aaltojohde sähkömagneettisille aalloille pääasiassa senttimetrin aaltoalueella (3-30 GHz). Aaltojohteet ovat pyöreitä tai suorakaiteen muotoisia metalliputkia, joissa tällaisia ​​korkeita taajuuksia voidaan lähettää hyvin pienellä häviöllä, toisin kuin kaapelit.

kevyt

Optiset johtimet tai tarkemmin: optisia aaltojohtimia on saatavana kahtena mallina:

• yksiulotteinen:

Esimerkki sellaisista ovat lasikuidut, jotka toimivat optisina aaltojohtimina . Tavanomaisten lasi kuitujen valo ohjataan avulla kokonaisheijastuksen ; joissakin nykyaikaisissa muunnoksissa valoa ohjataan sen sijaan fotonikiteiden avulla .

• kaksiulotteinen:

Esimerkkinä tästä ovat tasomaiset aaltojohteet. Nämä ovat z. B. käytetään puolijohdelasereissa .

Magneettijohdin

Valittujen materiaalien läpäisevyysnumerot

keskipitkällä	μ r	Luokitus
Ensimmäisen tyyppiset suprajohteet	0	ihanteellisesti diamagneettinen
Lyijy , tina , kupari	<1	diamagneettinen
tyhjiö	1	(määritelmän mukaan neutraali)
Ilma , alumiini , platina	> 1	paramagneettinen
koboltti	80 ... 200	ferromagneettinen
rauta-	300 ... 10000	ferromagneettinen
Ferriitit	4… 15 000	ferromagneettinen
Mumetall (NiFe), hehkutettu vedyllä	50000 ... 140000	ferromagneettinen

Magneettinen johtavuus, jota kutsutaan myös magneettinen permeabiliteetti ( μ ), on mitta läpäisevyyden magneettikenttien . Se liittyy läheisesti magneettiseen herkkyyteen . Läpäisevyys on suhde magneettivuon tiheys B on magneettikentän voimakkuus H .

${\ displaystyle \ mu = {\ frac {\ vasen | {\ vec {B}} \ oikea |} {\ vasen | {\ vec {H}} \ oikea |}}}$ .

Magneettikenttä vakio μ ₀ on fysikaalinen vakio magneettisen johtavuus tyhjiössä. Läpäisevyys numero μ _r , aiemmin kutsutaan myös suhteellinen permeabiliteetti, on suhde μ magneettikentän vakiona μ ₀ .

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

Tyhjiötä varten on läpäisevyysluku 1. Mittaluvun μ _r koko liittyy kaavan avulla magneettiseen herkkyyteen χ . ${\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {r}} = 1 + \ chi}$

Suprajohteiden täydellistä läpäisemättömyyttä magneettikentille kutsutaan Meissner-Ochsenfeldin vaikutukseksi .

Katso myös

• Sähkönjohtavuus
• Ketteryys (fysiikka)

kirjallisuus

• Horst Stöcker : Fysiikan taskukirja. 4. painos Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000. ISBN 3-8171-1628-4
• Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Sähkötekniikan asiantuntijakoulutus teollisuuselektroniikassa. 1 painos. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998. ISBN 3-14-221730-4
• Günter Springer: Sähkötekniikan asiantuntemus. 18. painos Europa - Lehrmittel, Wuppertal 1989. ISBN 3-8085-3018-9

nettilinkit

Yksittäiset todisteet

1. ^ Rainer Ose: Sähkötekniikka insinööreille: perusteet . Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2013, ISBN 978-3-446-43955-9 ( rajoitettu esikatselu Google- teoshaulla [käytetty 8. joulukuuta 2016]). 
2. ↑ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing, Stefan Blügel: Kokeellisen fysiikan oppikirja 6. Kiinteä . Walter de Gruyter, 2005, ISBN 978-3-11-017485-4 ( rajoitettu esikatselu Google- teoshaulla [käytetty 8. joulukuuta 2016]). 
3. ^ Moellerin sähkötekniikan perusteet . Springer-Verlag, 2008, ISBN 978-3-8351-0109-8 ( rajoitettu esikatselu Google- teoshaulla [käytetty 27. marraskuuta 2016]).