Luulisi että noilla on jotain yhteyttä keskenään.
Kuparilla ja raudalla on melkein sama johtavuuselektronitiheys, mutta kuparin sähkönjohtavuus on suhteessa paljon parempi. Mikä tuossa mättää?
Kuparilla ja raudalla on melkein sama johtavuuselektronitiheys, mutta kuparin sähkönjohtavuus on suhteessa paljon parempi. Mikä tuossa mättää?
Vastaukset 9
Vanhimmat
Linkkiä asiaan:
https://fi.wikipedia.org/wiki/Vaellusnopeus
Mättää elekronivöiden tarkka (kvanttimekaaninen) rakenne metallissa. Kiinteän aineen fysiikassa näitä käsitellään yksityiskohtaisemmin mutta on matematiikkaa k-avaruudessa täynnä selitykset. Raudan kohdalla monimutkaisuutta lisää sen ferromagneettisuus.
Metalliseokset yleensä johtavat sähköä ja lämpöä huonommin kuin puhtaat metallit siksi, että niiden kiderakenne on epäsäännöllinen seostuksen vuoksi.
Hmph. Linkin kaavassa lasketaan elektronien kulkunopeus, johtimen poikkipinnan ja virran perusteella.
Mitä enemmän johdinmetallissa on varauksenkuljettajia sitä suurempi on niiden nopeus, kun virta ja poikkipinta pysyvät samoina.
Edelleen, varsin hyvällä sähkönjohteella, hopealla on vähiten varauksenkuljettajia, ja huonolla johteella raudalla johtavuuseletkroneita on eniten. Elektronien nopeus on hopealla suurin ja raudalla pienin.
Kuvaako tässä elektronien suuri nopeus aineen suurta ominaisvastusta? Virran kulkureitti aineessa on ikään kuin kuristunut. Vai onko asia kuitenkin juuri päinvastoin.
Kuten edellä vastasin tuota asiaa ei voi selittää eikä ymmärrää sukeltamatta syvemmälle kiinteän aineen fysiikan syövereihin. Elektronien keskimääräinen drift-nopeus ei tässä riitä selittämään asioita vaan pitää katsoa kiteen elektronivöiden rakennetta. Mennään siis vahvasti kvanttimekaniikan puolelle.
Ashcroft, Mermin: Solid State Physics
Onko nämä metallien ominaisvastus tai -johtavuus -arvot täysin kokeellisesti mitattuja arvoja? Eikö vielä tunneta aineen rakennetta tarpeeksi hyvin, että sähkönjohtavuus voitaisiin laskennallisesti määrittää?
Ongelmasi pn siinä, että et tunne metallien sähkön- ja lämmönjohtavuutta käsitteleviä teorioita.
Ota käteesi joku nykyaikainen oppikirja jonka nimessä on "solid state physics" ja tutustu aiheeseen. Sen esitietona ovat kvanttimekaniikan peruskurssit, statistinen fysiikka ja termodynamiikka. Niiden esitietona yliopistotason perusmatematiikan ja -fysiikan kurssit.
Kas, sittenhän meillä on sama ongelma!
Ongelma riippuu myös taajuudesta skin depth-ilmiön kautta: Varauksenkuljettajat on kaikki samaa polariteettia ja tästä syystä työntävät toisiaan etäämmälle ja varaus kulkeekin johteen pintakerroksessa. Pintakerroksen(varausta kuljettavan) paksuus on siis taajuuden funktio ja esim. radiotekniikassa voi yleensä huoletta jättää muut virran komponentit huomiotta. Samasta syystä antenneissa ei elementtien tarvitse olla tankoja vaan melko ohuet metalliputket riittää ajamaan saman asian.
Eri aineilla nuo pintaelektronit pääsevät kulkemaan hieman eri tavalla - joskin vasta taajuuskaistan yläosassa tässä alkaa olla selviä eroja. Voi siis huoletta tehdä antennin esim. alumiinista tai raudasta(jos se on demagnetoitu) ja vaimennus paremmin johtavaan kupariin verrattuna on 1db luokkaa.
Myös sähköopin puolella optimaalisia johdon paksuuksia on mietitty eli vaikka taajuus onkin vain 50Hz, alkaa suurjännitelinjoissa tuo virran pakkautuminen näkyä.
Joskus hurjassa nuoruudessani tutustuin yksikiteisestä niobista valmistettuun mikroaaltoresonaattoriin. Tuommoisella vehkeellä on häviöt paljon pienemmät jollain kuparista tai teräksestä valmistetulla vehkeellä.
Avainsana on yksikiteisyys, ei johtavuuselektronien määrä.