We weten afzonderlijk over smeltpunt en geleidbaarheid, maar hoe smeltpunt en geleidbaarheid zich tot elkaar verhouden en hun feiten zullen in dit bericht worden besproken.
Het smeltpunt is de temperatuur waarbij een vast lichaam zijn toestand in vloeistof begint over te brengen. Tegelijkertijd is geleidbaarheid de temperatuurgradiënt om de warmteoverdracht te beschrijven. Omdat zowel het smeltpunt als de geleidbaarheid afhankelijk zijn van de temperatuur, delen ze een onderlinge relatie.
Niet elk object heeft een smeltpunt omdat sommige objecten zoals hout niet smelten. Als het gaat om geleidbaarheid, worden ze gecategoriseerd op basis van de eigenschappen van de vaste stof, zoals thermisch, elektrisch, ionisch, enz. Hier vindt u ken de relatie tussen smeltpunt en thermische en elektrische geleidbaarheid.
Smeltpunt en thermische geleidbaarheid
Thermische geleidbaarheid is het vermogen van de verbinding om warmte te geleiden. Over het algemeen vindt de warmtestroom van hogere naar lagere temperaturen plaats in thermische geleidbaarheid. De thermische geleidbaarheid ligt tussen het bestaan van het smelt- en kookpunt van de gegeven stof.
Wanneer de temperatuur stijgt door de warmteoverdracht, neemt de interne energie van de vaste stof toe, waardoor de diffusie ontstaat, waarna de vaste stof begint te smelten. De smeltpunteigenschappen variëren voor metalen en niet-metalen stoffen. De thermische geleidbaarheid in vaste stof is te wijten aan de elastische trilling van rooster leidt tot de overdracht van energie in de vorm van warmte.
Smeltpunt en thermische geleidbaarheid zijn individuele eigenschappen van de stof, maar in sommige toepassingen, zoals lassen, vindt het smelten van de stof plaats door de thermische geleidbaarheid. Metalen zijn gevoeliger voor temperatuur, dus metaal heeft een hoog smeltpunt en de thermische geleidbaarheid van het metaal is hoger.
Smeltpunt en thermische geleidbaarheid relatie
Het smeltpunt van de vaste stoffen hangt af van hun bindingsenergie. Als een vaste stof een hoge bindingsenergie heeft, is het smeltpunt van de vaste stof ook hoog. De thermische geleidbaarheid hangt echter alleen af van de effectieve warmtestroom in de stof.
Het smeltpunt en de thermische geleidbaarheid zijn nauw verwant aan bepaalde vaste stoffen, aangezien beide temperatuurafhankelijke entiteiten zijn. De stijging en daling van de temperatuur beïnvloeden zowel het smeltpunt als de geleidbaarheid.
In metalen is de stijging van temperatuur verhoogt het smeltpunt, wat leidt tot een afname van de thermische geleidbaarheid van het metaal. Dit betekent dat het smeltpunt en de thermische geleidbaarheid in het geval van metaal omgekeerd evenredig zijn. Maar voor niet-metaal is het omgekeerd. Het smeltpunt van het niet-metaal is lager, maar de thermische geleidbaarheid is veel hoger.
Het is duidelijk dat het smeltpunt en de thermische geleidbaarheid een omgekeerde relatie hebben.
Waarom is de thermische geleidbaarheid omgekeerd evenredig met de temperatuur?
De thermische geleidbaarheid van de vaste stoffen hangt grotendeels af van de beweging van de vrije elektronen van de deeltjes en moleculaire trillingen. De temperatuurverandering heeft grotendeels invloed op beide; de thermische geleidbaarheid is dus omgekeerd evenredig met de temperatuur.
Beschouw voor een beter begrip twee gevallen van metalen en niet-metalen als voorbeelden,
De thermische geleidbaarheid in metaal is te wijten aan de beweging van het vrije elektron. Naarmate de temperatuur stijgt, stijgt de moleculaire vibratie, wat leidt tot een afname van de stroomsnelheid van een vrij elektron door zijn pad te blokkeren, wat bijgevolg de thermische geleidbaarheid vermindert.
De bovenstaande theorie is omgekeerd in het geval van niet-metaal. Omdat er geen vrij elektron is in niet-metalen, is de thermische geleiding te wijten aan moleculaire trillingen. Naarmate de temperatuur stijgt, krijgen de moleculen kinetische energie en veroorzaken ze molecuultrillingen; de thermische geleidbaarheid is dus hoog in niet-metalen.
Afbeelding credits: Gratis SVG
Smeltpunt en elektrische geleidbaarheid
Elektrische geleidbaarheid is de eigenschap van het materiaal, die het vermogen meet om de stroom door te laten of om elektriciteit door het materiaal te geleiden. Omdat voor het geleiden van elektrische stroom een vrij elektron nodig is; daarom kunnen in dit geval alleen metalen worden opgenomen.
In het geval van alkalimetalen is er slechts één vrij valance-elektron beschikbaar; daarom is de energie die nodig is om het atoom in het kristalrooster te binden laag, dus de metaalbinding is niet zo sterk, wat leidt tot een laag smeltpunt. Maar het zijn goede elektrische geleiders.
De vrije valance-elektronen laten de elektrische ladingen vrij stromen en moedigen de atomen aan om een van de elektronen te winnen of te verliezen van het element dat het gevolg is van de zwakkere nucleaire interactie. Dus elektrische geleidbaarheid is meer.
Smeltpunt en elektrische geleidbaarheid relatie
In tegenstelling tot thermische geleidbaarheid is de relatie tussen het smeltpunt en de elektrische geleidbaarheid lineair. Omdat de temperatuurstijging leidt tot een toename van zowel de elektrische geleidbaarheid als het smeltpunt.
Maar er zijn enkele gevolgen waarbij sommige metalen een hoog smeltpunt hebben, maar hun elektrische geleidbaarheid is erg laag. Sommige metalen zijn goede elektrische geleiders, maar hebben een laag smeltpunt. Het is dus niet eenvoudig om een goede relatie tussen smeltpunt en elektrische geleidbaarheid.
Wat verhoogt de elektrische geleidbaarheid?
Elektrische geleidbaarheid is afhankelijk van de temperatuur. Dus de variatie van temperatuur kan de temperatuur verhogen.
De elektrische geleidbaarheid wordt sterk beïnvloed door de mobiliteit van het ion en de volant-elektronen; dus, als er een positieve variatie in de ionische mobiliteit en het valance-elektron zal zijn, kan de elektrische geleidbaarheid worden verhoogd.
Omdat metalen goede geleiders zijn, neemt de elektrische geleidbaarheid lineair toe als het aantal vrije elektronen per metaalatoom beschikbaar is. Als het gedelokaliseerde elektron toeneemt, neemt ook de elektrische geleidbaarheid toe. Voor halfgeleiders kan een toename van onzuiverheden de elektrische geleidbaarheid verhogen.
Heeft het smeltpunt invloed op de elektrische geleidbaarheid?
Voor bepaalde metalen is het smeltpunt grotendeels van invloed op de elektrische geleidbaarheid. De elektrische geleidbaarheid ontstaat met de temperatuur. Wanneer de temperatuur het smeltpunt bereikt, begint deze te dalen, en dus verdwijnt de elektrische geleidbaarheid volledig. Deze eigenschap wordt waargenomen in het experiment van elektrische draadexplosie gedragen door de fase overgangsproces van metalen.
Het smeltmechanisme wordt versterkt door de afzetting van energie op het kristalrooster van het metaal, wat leidt tot een toename van het aantal hoogenergetische elektronen op het rooster, waardoor een defect in de roosterstructuur ontstaat.
Omdat geleidbaarheid de functie van temperatuur is, die ook het smeltpunt verbetert, beïnvloedt het smeltpunt de elektrische geleidbaarheid.
Wat heeft een hoog smeltpunt en geleidt geen elektriciteit?
Bepaalde verbindingen hebben een hoog smeltpunt, maar dragen niet bij aan de elektrische geleidbaarheid. Die verbindingen zijn ionisch. Ionische verbindingen in hun vaste toestand vertonen geen elektrische geleidbaarheid, maar in hun gesmolten of waterige toestand wel.
In de vaste toestand worden de moleculen van de ionische verbindingen vastgehouden door een sterke binding en op hun plaats gefixeerd. De mogelijkheid om vrije elektronen te vormen is kleiner, dus ze kunnen niet bewegen, maar ze hebben een hoog smeltpunt, dwz ze smelten zo gemakkelijk als er een bepaalde hoeveelheid temperatuur wordt toegevoerd.
Naarmate de temperatuur stijgt, begint de ionische vaste stof te smelten en worden ionen vrij om elektriciteit te geleiden.
Neemt de elektrische geleidbaarheid toe met de temperatuur?
De afhankelijkheid van de elektrische geleidbaarheid van de temperatuur hangt af van de eigenschap van het materiaal.
- Voor geleiders heeft de temperatuur een omgekeerde relatie. Door aldus de temperatuur te verlagen, kan de elektrische geleidbaarheid worden verhoogd.
- Voor isolatoren kan de elektrische geleidbaarheid worden verhoogd door de temperatuur te verhogen.
- In het geval van halfgeleiders neemt de elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider toe met de toename van de temperatuur.
Aangezien elektrische geleidbaarheid het gevolg is van de vrije elektronenbeweging van de ene naar de andere kant, is het elektron ingesteld om vrij te bewegen als er geen weerstand is tegen de stroom.
Naarmate de temperatuur stijgt, zorgt de trilling van het rooster ervoor dat het elektron een willekeurige beweging in de laterale richting bereikt, dus er bestaat enige weerstand tegen de stroom van elektronen; aldus vertoont de geleider een lage geleidbaarheid bij hoge temperatuur.
Hoog smeltpunt en slechte elektrische geleidbaarheid
Bepaalde metalen zoals hafnium, niobium en tantaal vertonen een hoog smeltpunt, maar ze zijn slecht elektrisch geleiders. Wolfraam heeft bijvoorbeeld een hoog smeltpunt, maar vertoont onder normale omstandigheden een slechte elektrische geleidbaarheid.
Wolfraam wordt echter gebruikt als gloeidraad in lampen omdat ze bij hoge temperatuur elektrische geleidbaarheid vertonen, waardoor de elektronenstroom mogelijk is.
Het bestaan van onzuiverheden in het zuivere metaal beperkt de stroom van elektronen om elektriciteit te geleiden; dus zelfs als ze een hoog smeltpunt hebben, dragen ze niet bij aan de elektrische geleidbaarheid. Sommige verbindingen, zoals roestvrij staal, hebben een relatief hoog smeltpunt, maar geleiden geen elektriciteit vanwege hun legeringachtige structuur.
Afbeelding credits: Pixabay
Waarom neemt de geleidbaarheid in halfgeleiders toe met de temperatuur?
De volantband is gevuld met valentie-elektronen in halfgeleiders en de geleidingsband is leeg of gedeeltelijk gevuld bij nul graden Kelvin. Dus het vrije elektron om elektrische geleidbaarheid bij te dragen is niet beschikbaar in de geleidingsband om een elektron-gatpaar te vormen.
Wanneer een kleine hoeveelheid energie in de vorm van warmte wordt toegepast, kan het elektron gemakkelijk beschikbaar zijn voor geleiding. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de elektronendichtheid in de geleidingsband toe. Zo wordt de geleidbaarheid ook verhoogd in halfgeleiders.
De bandgap tussen de geleidingsband en de volantband is relatief kleiner; dus kunnen de vrije elektronen de volantband passeren als gevolg van thermische trillingen naarmate de temperatuur toeneemt en kinetische energie wint. Het elektron komt vrij binnen de roosterstructuur en draagt op natuurlijke wijze bij aan de elektrische geleiding.
Afbeelding credits: Wikimedia commons
Samengevat
Laten we dit bericht afsluiten door te stellen dat het smeltpunt en de geleidbaarheid de eigenschappen van het materiaal zijn, vergezeld van de temperatuur. Ze zijn dus indirect gecorreleerd en de geleidbaarheid varieert voor verschillende verbindingen verschillend.
Lees ook:
Ik ben Keerthi K Murthy, ik heb een postdoctorale opleiding natuurkunde afgerond, met de specialisatie op het gebied van vaste-stoffysica. Ik heb natuurkunde altijd beschouwd als een fundamenteel onderwerp dat verbonden is met ons dagelijks leven. Als natuurkundestudent vind ik het leuk om nieuwe dingen in de natuurkunde te ontdekken. Als schrijver is het mijn doel om de lezers op een vereenvoudigde manier te bereiken via mijn artikelen.
Hallo medelezer,
We zijn een klein team bij Techiescience, dat hard werkt tussen de grote spelers. Als je het leuk vindt wat je ziet, deel dan onze inhoud op sociale media. Uw steun maakt een groot verschil. Bedankt!