Γιατί τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού;

Τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού επειδή περιέχουν άφθονα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται ελεύθερα και να συγκρούονται μεταξύ τους, διαδίδοντας θερμότητα και ηλεκτρισμό μέσω του μετάλλου.

Η πλειονότητα των υλικών που μεταφέρουν τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό είναι μέταλλα, για τον απλούστατο λόγο ότι τα μέταλλα περιέχουν πληθώρα ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Τι είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια;

Αν και τα ηλεκτρόνια δεν κατοικούν στην πραγματικότητα άτομα όπως οι πλανήτες στο ηλιακό σύστημα, το ατομικό μοντέλο που βασίζεται στο μοντέλο του ηλιακού συστήματος, στο οποίο τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα όπως οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο, παρέχει μια απλούστερη απλή εξήγηση για πολύπλοκα ή εσωτερικά κβαντομηχανικά φαινόμενα.

(Φωτογραφία:Wikimedia Commons)

Είναι προφανές και παγκοσμίως γνωστό ότι είναι ο θετικός πυρήνας που δεσμεύει τα αρνητικά ηλεκτρόνια με το άτομο. Η δύναμη με την οποία επιτυγχάνεται αυτό ονομάζεται δύναμη Coulomb. Ωστόσο, η δύναμη γίνεται πιο αδύναμη με την απόσταση:μπορεί κανείς να συμπεράνει από αυτό το μοντέλο ότι, καθώς τα κελύφη αυξάνονται, η δύναμη που έλκει τα ηλεκτρόνια που τα καταλαμβάνουν γίνεται ολοένα πιο αδύναμη και πιο αδύναμη, προφανώς, όταν έλκονται τα ηλεκτρόνια προς το εξωτερικό, ή αυτό που ονομάζεται το κέλυφος σθένους.

Αυτά τα ηλεκτρόνια έλκονται τόσο αδύναμα που καταφέρνουν να ξεφύγουν και να απελευθερωθούν από το άτομο. Ως εκ τούτου αναφέρονται ως ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτό που ευθύνεται για την τάση ενός μετάλλου να χάνει τα ηλεκτρόνια του σθένους είναι το μεγάλο ατομικό του μέγεθος και η ίδια του η έλλειψη ηλεκτρονίων σθένους. Τα μη μέταλλα, όπως το χλώριο, διαθέτουν επτά ηλεκτρόνια σθένους, ένα χαρακτηριστικό που ανάγκασε τη φύση να κάνει το άτομό της μικρότερο και επομένως πιο εύκολο για τον πυρήνα της να τα συγκρατήσει. Από την άλλη πλευρά, τα μέταλλα έχουν το πολύ τρία ηλεκτρόνια σθένους. Η φύση δεν είναι αρκετά επιεικής για να κάνει ένα άτομο μικρότερο ώστε να χωράει μόνο τρία ηλεκτρόνια, καθώς αυτό θα απαιτούσε να ξοδέψει υπερβολική ενέργεια.

Λάβετε υπόψη ότι κάθε άτομο μετάλλου παράγει ένα ή δύο ελεύθερα ηλεκτρόνια και ένα φύλλο οποιουδήποτε μετάλλου περιέχει τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια άτομα. Επομένως, το φύλλο είναι γεμάτο από ελεύθερα ηλεκτρόνια, και αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι που διαδίδουν τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό που διέρχεται από αυτό.

Πώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια διαδίδουν τον ηλεκτρισμό και τη θερμότητα

Όταν συνδέουμε ένα χάλκινο καλώδιο σε μια μπαταρία, ο θετικός ακροδέκτης έλκει τα αρνητικά ελεύθερα ηλεκτρόνια προς αυτήν. Η ξαφνική δύναμη που ασκείται από το ηλεκτρικό πεδίο τα αναγκάζει να παρασυρθούν και να συγκρούονται έντονα μεταξύ τους με τεράστιες ταχύτητες. Αυτό που προκύπτει είναι ένα φαινόμενο ντόμινο:το ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο οποίο συγκρούστηκε το ελεύθερο ηλεκτρόνιο πίσω του ωθείται προς τα εμπρός μόνο για να συγκρουστεί με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπροστά του, το οποίο στη συνέχεια ωθείται να συγκρουστεί σε ένα άλλο ελεύθερο ηλεκτρόνιο και ούτω καθεξής μέχρι το τελευταίο ελεύθερο ηλεκτρόνιο στην ουρά ωθείται στο κύκλωμα. Ωστόσο, κατά μέσο όρο, τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τα εμπρός με μια σχετικά μικροσκοπική ταχύτητα που ονομάζεται ταχύτητα μετατόπισης. Πανοραμικά, θα έβλεπε κανείς έναν πυκνό ποταμό ελεύθερων ηλεκτρονίων να κυλά προς το θετικό τερματικό και τι είναι ρεύμα εκτός από τη ροή των ηλεκτρονίων;

Η θερμότητα διαμεσολαβείται μέσω ενός μετάλλου με παρόμοιο τρόπο. Μια πηγή θερμικής ενέργειας δεν είναι παρά μια πηγή κινητικής ενέργειας. Όταν φέρνουμε μια πηγή θερμότητας προς ένα υλικό, αυτή μεταδίδει κινητική ενέργεια στα άτομα του υλικού. Αυτή η κινητική ενέργεια αναγκάζει τα άτομα να κινούνται έντονα στη θέση τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του κουνήματος.

Οι ιοντικές ενώσεις μεταφέρουν επίσης τη θερμότητα καθώς τα ιόντα κινούνται στις θέσεις τους. Ωστόσο, οι ιοντικές ενώσεις χαρακτηρίζονται από μια εξαιρετικά συμμετρική γεωμετρική διάταξη ή δομή. Χαζεύουν, αλλά η κίνησή τους περιορίζεται δραματικά από αυτή τη δομή. Τα καθαρά μέταλλα, από την άλλη πλευρά, είναι υπερθετικοί αγωγοί επειδή, αν και τα άτομά τους συγκρατούνται από τη δομή, τα ηλεκτρόνια τους δεν είναι… είναι ελεύθερα! Τα ηλεκτρόνια είναι απεριόριστα και επομένως αρχίζουν να κινούνται τυχαία όταν η πηγή μεταδίδει κινητική ενέργεια σε αυτά. Στη συνέχεια συγκρούονται σε γειτονικά ηλεκτρόνια, μεταφέροντας έτσι την κινητική τους ενέργεια. Οι συγκρούσεις μιμούνται ένα φαινόμενο ντόμινο και η θερμότητα διαδίδεται από τη θερμή περιοχή, την περιοχή πιο κοντά στην πηγή, στην ψυχρή περιοχή, το μακρινό άκρο του μετάλλου.

Λέω καθαρό μέταλλο γιατί τα κράματα είναι σχετικά κακοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κράματα σχηματίζονται με την εισαγωγή ξένων ατόμων σε ένα μέταλλο. Αυτό οδηγεί σε αύξηση των ανωμαλιών, οι οποίες στη συνέχεια εμποδίζουν την κίνηση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου. Καθώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ταξιδέψουν και να συγκρούονται μεταξύ τους, η θερμότητα και ο ηλεκτρισμός γίνονται πιο δύσκολο να διαδοθούν.

Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι ένα κράμα σιδήρου και χρωμίου. (Φωτογραφία:Pixabay)

Η εισαγωγή ξένων ατόμων είναι πάντα ένα σημείο συζήτησης γιατί, ενώ μειώνει την αγωγιμότητα, βελτιώνει επίσης τις άλλες ιδιότητες του μετάλλου, όπως η αντοχή. Ο σίδηρος σκουριάζει, ενώ ο ανοξείδωτος χάλυβας, ένα κράμα σιδήρου και χρωμίου, όχι. Καθώς είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που είναι υπεύθυνα και για τα δύο — την ικανότητα ενός μετάλλου να μεταφέρει ηλεκτρισμό και την ικανότητά του να άγει θερμότητα, δεν είναι τυχαίο ότι οι νόμοι που διέπουν την αγωγιμότητα του ηλεκτρισμού είναι πολύ παρόμοιοι με τους νόμους που διέπουν την αγωγιμότητα της θερμότητας. /P>