Was ist Leitung?

Leitung bezieht sich auf die Übertragung von Energie durch die Bewegung von Partikeln, die miteinander in Kontakt stehen. In der Physik wird das Wort "Leitung" verwendet, um drei verschiedene Arten von Verhalten zu beschreiben, die durch die Art der Energieübertragung definiert sind:

• Wärmeleitung (oder Wärmeleitung) ist die Übertragung von Energie von einer wärmeren Substanz auf eine kältere durch direkten Kontakt, z. B. wenn jemand den Griff einer heißen Metallpfanne berührt.
• Elektrische leitung ist die Übertragung von elektrisch geladenen Partikeln durch ein Medium, z. B. Strom, der durch die Stromleitungen in Ihrem Haus fließt.
• Schallleitung (oder akustische Leitung) ist die Übertragung von Schallwellen durch ein Medium, wie z. B. Vibrationen von lauter Musik, die durch eine Wand strömt.

Ein Material, das eine gute Leitfähigkeit bietet, wird als a bezeichnet Dirigent, während ein Material, das eine schlechte Leitfähigkeit bietet, als ein bezeichnet wird Isolator.

Wärmeleitung

Unter Wärmeleitung können auf atomarer Ebene Teilchen verstanden werden, die beim physikalischen Kontakt mit benachbarten Teilchen Wärmeenergie physikalisch übertragen. Dies ähnelt der Erklärung von Wärme durch die kinetische Theorie von Gasen, obwohl die Übertragung von Wärme innerhalb eines Gases oder einer Flüssigkeit üblicherweise als Konvektion bezeichnet wird. Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung über die Zeit wird als Wärmestrom bezeichnet und wird durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials bestimmt. Diese Größe gibt an, mit welcher Leichtigkeit die Wärme innerhalb des Materials geleitet wird.

Wenn zum Beispiel ein Eisenstab an einem Ende erhitzt wird, wie in der obigen Abbildung gezeigt, wird die Wärme physikalisch als die Schwingung der einzelnen Eisenatome in den Stäben verstanden. Die Atome auf der kühleren Seite des Balkens vibrieren mit weniger Energie. Wenn die energetischen Teilchen schwingen, kommen sie mit benachbarten Eisenatomen in Kontakt und geben einen Teil ihrer Energie an diese anderen Eisenatome ab. Mit der Zeit verliert das heiße Ende des Riegels Energie und das kühle Ende des Riegels gewinnt Energie, bis der gesamte Riegel die gleiche Temperatur aufweist. Dies ist ein Zustand, der als thermisches Gleichgewicht bekannt ist.

Bei der Betrachtung der Wärmeübertragung fehlt im obigen Beispiel jedoch ein wichtiger Punkt: Der Eisenstab ist kein isoliertes System. Mit anderen Worten, nicht die gesamte Energie des erhitzten Eisenatoms wird durch Leitung in die benachbarten Eisenatome übertragen. Sofern es nicht durch einen Isolator in einer Vakuumkammer aufgehängt wird, steht der Eisenstab auch in physischem Kontakt mit einem Tisch oder Amboss oder einem anderen Gegenstand und ist auch in Kontakt mit der umgebenden Luft. Wenn Luftpartikel mit dem Stab in Kontakt kommen, gewinnen auch sie Energie und transportieren diese vom Stab weg (wenn auch langsam, da die Wärmeleitfähigkeit der unbewegten Luft sehr gering ist). Der Riegel ist auch so heiß, dass er glüht, was bedeutet, dass er einen Teil seiner Wärmeenergie in Form von Licht abstrahlt. Auf diese Weise verlieren die schwingenden Atome Energie. Wenn der Stab in Ruhe gelassen wird, kühlt er sich schließlich ab und erreicht ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebungsluft.

Elektrische Leitung

Elektrische Leitung entsteht, wenn ein Material einen elektrischen Strom durchlässt. Ob dies möglich ist, hängt von der physikalischen Struktur ab, wie die Elektronen im Material gebunden sind und wie leicht die Atome eines oder mehrere ihrer äußeren Elektronen an benachbarte Atome abgeben können. Das Ausmaß, in dem ein Material die Leitung eines elektrischen Stroms hemmt, wird als elektrischer Widerstand des Materials bezeichnet.

Bestimmte Materialien verlieren, wenn sie auf nahezu Null abgekühlt werden, jeglichen elektrischen Widerstand und lassen elektrischen Strom ohne Energieverlust durch sie fließen. Diese Materialien werden als Supraleiter bezeichnet.

Schallleitung

Schall wird physikalisch durch Vibrationen erzeugt, daher ist er vielleicht das offensichtlichste Beispiel für Leitung. Ein Schall bewirkt, dass die Atome in einem Material, einer Flüssigkeit oder einem Gas vibrieren und den Schall durch das Material übertragen oder leiten. Ein Schallisolator ist ein Material, dessen einzelne Atome nicht leicht vibrieren, wodurch er ideal für die Schalldämmung geeignet ist.