Vad är ledning?

Ledning avser överföring av energi genom rörelse av partiklar som är i kontakt med varandra. I fysiken används ordet "ledning" för att beskriva tre olika typer av beteenden, som definieras av typen av energi som överförs:

• Värmeledning (eller termisk ledning) är överföring av energi från en varmare substans till en kallare genom direktkontakt, till exempel någon som vidrör handtaget på en varm metallpanna.
• Elektrisk ledning är överföring av elektriskt laddade partiklar genom ett medium, till exempel el som reser genom kraftledningarna i ditt hus.
• Ljudledning (eller akustisk ledning) är överföring av ljudvågor genom ett medium, till exempel vibrationer från hög musik som passerar genom en vägg.

Ett material som ger god ledning kallas a dirigent, medan ett material som ger dålig ledning kallas ett isolator.

Värmeledning

Värmeledning kan förstås på atomnivå som partiklar som fysiskt överför värmeenergi när de kommer i fysisk kontakt med angränsande partiklar. Detta liknar förklaringen av värme genom den kinetiska teorin om gaser, även om överföring av värme i en gas eller vätska vanligen kallas konvektion. Värmeöverföringshastigheten över tid kallas värmeströmmen och bestäms av materialets värmeledningsförmåga, en kvantitet som indikerar hur lätt värme ledes i materialet..

Till exempel, om en järnstång uppvärms i ena änden, såsom visas på bilden ovan, förstås värmen fysiskt som vibrationen för de enskilda järnatomerna i stängerna. Atomerna på den svalare sidan av baren vibrerar med mindre energi. När de energiska partiklarna vibrerar kommer de i kontakt med intilliggande järnatomer och förmedlar en del av sin energi till de andra järnatomerna. Med tiden tappar den heta änden av stången energi och den svala änden på stången får energi, tills hela stången har samma temperatur. Detta är ett tillstånd som kallas termisk jämvikt.

När man överväger värmeöverföring saknas dock exemplet ovan en viktig punkt: järnstången är inte ett isolerat system. Med andra ord överförs inte all energi från den uppvärmda järnatomen genom ledning till de intilliggande järnatomerna. Såvida den inte hålls upphängd av en isolator i en vakuumkammare, är järnstången också i fysisk kontakt med ett bord eller städ eller annat föremål, och det är också i kontakt med luften runt den. När luftpartiklar kommer i kontakt med stången, kommer de också att få energi och transportera den bort från stången (men långsamt, eftersom den termiska konduktiviteten hos den rörliga luften är mycket liten). Baren är också så varm att den glöder, vilket innebär att den strålar ut en del av sin värmeenergi i form av ljus. Detta är ett annat sätt på vilket de vibrerande atomerna tappar energi. Om den lämnas ensam, kommer baren så småningom att svalna och nå termisk jämvikt med den omgivande luften.

Elektrisk ledning

Elektrisk ledning inträffar när ett material tillåter en elektrisk ström att passera genom den. Huruvida detta är möjligt beror på den fysiska strukturen för hur elektronerna är bundna i materialet och hur lätt atomerna kan frigöra en eller flera av sina yttre elektroner till angränsande atomer. I vilken grad ett material hämmar ledningen av en elektrisk ström kallas materialets elektriska motstånd.

Vissa material, när de kyls till nästan absolut noll, tappar allt elektriskt motstånd och låter elektrisk ström flyta genom dem utan energiförlust. Dessa material kallas superledare.

Ljudledning

Ljud skapas fysiskt av vibrationer, så det är kanske det mest uppenbara exemplet på ledning. Ett ljud får atomerna i ett material, vätska eller gas att vibrera och överföra eller leda ljudet genom materialet. En ljudisolator är ett material vars individuella atomer inte lätt vibrerar, vilket gör det idealiskt för användning i ljudisolering.