Wissenschaft

Die Definition der Leitung in der Physik

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 übertragenen Energie definiert werden:

  • 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 elektrisch geladener Teilchen durch ein Medium, z. B. Elektrizität, die durch die Stromleitungen in Ihrem Haus fließt.
  • Schallleitung (oder Schallleitung) ist die Übertragung von Schallwellen durch ein Medium, z. B. Vibrationen von lauter Musik, die durch eine Wand geleitet wird.

Ein Material, das eine gute Leitung bietet, wird als Leiter bezeichnet , während ein Material, das eine schlechte Leitung bietet, als  Isolator bezeichnet wird .

 

Wärmeleitung

Unter Wärmeleitung kann auf atomarer Ebene verstanden werden, dass Partikel Wärmeenergie physikalisch übertragen, wenn sie mit benachbarten Partikeln in physischen Kontakt kommen. Dies ähnelt der Erklärung der Wärme durch die kinetische Theorie der Gase. obwohl die Wärmeübertragung 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, eine Größe, die die Leichtigkeit angibt, mit der Wärme innerhalb des Materials geleitet wird.

Wenn beispielsweise ein Eisenstab an einem Ende erhitzt wird, wie in der obigen Abbildung gezeigt, wird die Wärme physikalisch als die Schwingung der einzelnen Eisenatome innerhalb der Stäbe 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 verleihen diesen anderen Eisenatomen einen Teil ihrer Energie. Mit der Zeit verliert das heiße Ende des Balkens Energie und das kühle Ende des Balkens gewinnt Energie, bis der gesamte Balken die gleiche Temperatur hat. Dies ist ein Zustand, der als thermisches Gleichgewicht bekannt ist.

Bei der Betrachtung der Wärmeübertragung fehlt dem obigen Beispiel jedoch ein wichtiger Punkt: Die Eisenstange 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 von einem Isolator in einer Vakuumkammer aufgehängt wird, steht die Eisenstange auch in physischem Kontakt mit einem Tisch oder Amboss oder einem anderen Gegenstand und in Kontakt mit der Luft um sie herum. Wenn Luftpartikel mit dem Stab in Kontakt kommen, gewinnen auch sie Energie und tragen sie vom Stab weg (wenn auch langsam, da die Wärmeleitfähigkeit von unbeweglicher Luft sehr gering ist). Der Balken ist auch so heiß, dass er leuchtet, was bedeutet, dass er einen Teil seiner Wärmeenergie in Form von Licht ausstrahlt. Auf diese Weise verlieren die schwingenden Atome Energie. Wenn der Stab alleine gelassen wird, kühlt er sich schließlich ab und erreicht ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebungsluft.

 

Elektrische Leitung

Elektrische Leitung tritt auf, 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 beim Abkühlen auf nahezu absoluten Nullpunkt jeglichen elektrischen Widerstand und lassen elektrischen Strom ohne Energieverlust durch sie fließen. Diese Materialien werden Supraleiter genannt .

 

Schallleitung

Schall wird physikalisch durch Vibrationen erzeugt, daher ist er möglicherweise das offensichtlichste Beispiel für die 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, was ihn ideal für den Schallschutz macht.

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