الموصل هو اي مادة تنتقل الطاقة الحرارية بسهولة ، الحرارة هي شكل مثير من الطاقة. فهي لا تحافظ فقط على الحياة وتجعلنا مرتاحين وتساعدنا في تحضير طعامنا ، ولكن فهم خصائصها هو مفتاح للعديد من مجالات البحث العلمي. على سبيل المثال ، معرفة كيفية انتقال الحرارة ودرجة تبادل المواد المختلفة للطاقة الحرارية يتحكم في كل شيء بدءًا من سخانات المباني وفهم التغيير الموسمي وحتى إرسال السفن إلى الفضاء.

الموصل هو اي مادة تنتقل الطاقة الحرارية بسهولة

لا يمكن نقل الحرارة إلا من خلال ثلاث وسائل: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. من بين هؤلاء ، ربما يكون التوصيل هو الأكثر شيوعًا ، ويحدث بانتظام في الطبيعة. باختصار ، إنه نقل الحرارة من خلال الاتصال الجسدي. يحدث ذلك عندما تضغط بيدك على لوح نافذة ، عندما تضع قدرًا من الماء على عنصر نشط ، وعندما تضع مكواة في النار.
يحدث هذا النقل على المستوى الجزيئي - من جسم إلى آخر - عندما يمتص سطح ما الطاقة الحرارية ويؤدي إلى تحرك جزيئات ذلك السطح بسرعة أكبر. في هذه العملية ، يصطدمون بجيرانهم وينقلون الطاقة إليهم ، وهي عملية تستمر طالما لا تزال الحرارة مضافة.
تعتمد عملية التوصيل الحراري على أربعة عوامل أساسية: التدرج في درجة الحرارة ، والمقطع العرضي للمواد المعنية ، وطول مسارها ، وخصائص تلك المواد.
التدرج في درجة الحرارة هو كمية مادية تصف في أي اتجاه وبأي معدل تتغير درجة الحرارة في مكان معين. تتدفق درجة الحرارة دائمًا من المصدر الأكثر سخونة إلى الأكثر برودة ، نظرًا لحقيقة أن البرودة ليست سوى غياب الطاقة الحرارية. يستمر هذا الانتقال بين الأجسام حتى يتلاشى الاختلاف في درجة الحرارة ، وتحدث حالة تعرف باسم التوازن الحراري.
يعد المقطع العرضي وطول المسار من العوامل المهمة أيضًا. كلما زاد حجم المادة المستخدمة في النقل ، زادت الحاجة إلى مزيد من الحرارة لتسخينها. أيضًا ، كلما زادت مساحة السطح المعرضة للهواء المفتوح ، زادت احتمالية فقدان الحرارة . لذا فإن الأجسام الأقصر ذات المقطع العرضي الأصغر هي أفضل وسيلة لتقليل فقد الطاقة الحرارية .
أخيرًا وليس آخرًا ، الخصائص الفيزيائية للمواد المعنية. في الأساس ، عندما يتعلق الأمر بتوصيل الحرارة ، لا تتساوى جميع المواد. تعتبر المعادن والحجر موصلات جيدة لأنها يمكن أن تنقل الحرارة بسرعة ، في حين أن المواد مثل الخشب والورق والهواء والقماش تعتبر موصلات رديئة للحرارة.
يتم تصنيف هذه الخصائص الموصلة بناءً على "معامل" يتم قياسه بالنسبة إلى الفضة. في هذا الصدد ، الفضة لها معامل التوصيل الحراري 100 ، في حين أن المواد الأخرى تأتي في المرتبة الأدنى. وتشمل النحاس (92) والحديد (11) والماء (0.12) والخشب (0.03). في الطرف المقابل من الطيف يوجد فراغ كامل ، وهو غير قادر على توصيل الحرارة ، وبالتالي يتم تصنيفه عند الصفر.
المواد التي هي موصلات سيئة للحرارة تسمى العوازل. الهواء ، الذي له معامل التوصيل .006 ، هو عازل استثنائي لأنه يمكن احتواؤه داخل مساحة مغلقة. هذا هو السبب في أن العوازل الاصطناعية تستخدم مقصورات الهواء ، مثل النوافذ الزجاجية المزدوجة التي تستخدم لقطع فواتير التدفئة. في الأساس ، تعمل بمثابة مخازن ضد فقدان الحرارة.
الريش والفراء والألياف الطبيعية كلها أمثلة على العوازل الطبيعية. هذه هي المواد التي تسمح للطيور والثدييات والبشر بالدفء. تعيش ثعالب البحر ، على سبيل المثال ، في مياه المحيط التي غالبًا ما تكون شديدة البرودة ، كما أن فروها السميك الفاخر يحافظ عليها دافئة. تعتمد ثدييات البحر الأخرى مثل أسود البحر والحيتان وطيور البطريق على طبقات سميكة من الدهون (تعرف أيضًا بالدهن) - موصل ضعيف للغاية - لمنع فقدان الحرارة من خلال جلدها.
يتم تطبيق هذا المنطق نفسه على عزل المنازل والمباني وحتى المركبات الفضائية. في هذه الحالات ، تتضمن الطرق إما جيوبًا هوائية محاصرة بين الجدران ، أو ألياف زجاجية (تحبس الهواء بداخلها) أو رغوة عالية الكثافة. تعتبر المركبة الفضائية حالة خاصة ، وتستخدم العزل على شكل رغوة ، ومواد مركبة من الكربون المقوى ، وبلاط من ألياف السيليكا. كل هذه موصلات رديئة للحرارة ، وبالتالي تمنع فقدان الحرارة في الفضاء وأيضًا تمنع درجات الحرارة القصوى التي تسببها عودة الغلاف الجوي من دخول مقصورة الطاقم.
القوانين التي تحكم توصيل الحرارة تشبه إلى حد بعيد قانون أوم ، الذي يحكم التوصيل الكهربائي. في هذه الحالة ، يكون الموصل الجيد عبارة عن مادة تسمح للتيار الكهربائي (أي الإلكترونات) بالمرور من خلاله دون الكثير من المتاعب. على النقيض من ذلك ، فإن العازل الكهربائي هو أي مادة لا تتدفق شحنتها الكهربائية الداخلية بحرية ، وبالتالي تجعل من الصعب للغاية توصيل تيار كهربائي تحت تأثير مجال كهربائي.
في معظم الحالات ، تكون المواد ذات الموصلات السيئة للحرارة أيضًا موصلة سيئة للكهرباء. على سبيل المثال ، يعتبر النحاس جيدًا في توصيل كل من الحرارة والكهرباء ، ولهذا السبب يتم استخدام الأسلاك النحاسية على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات. الذهب والفضة أفضل من ذلك ، وحيثما لا يمثل السعر مشكلة ، يتم استخدام هذه المواد في بناء الدوائر الكهربائية أيضًا.
وعندما يتطلع المرء إلى "تأريض" شحنة (أي تحييدها) ، فإنهم يرسلونها عبر اتصال مادي بالأرض ، حيث تُفقد الشحنة. هذا أمر شائع في الدوائر الكهربائية حيث يكون المعدن المكشوف عاملاً ، مما يضمن عدم تعرض الأشخاص الذين يتلامسون عرضيًا للصعق بالكهرباء.
يتم ارتداء المواد العازلة ، مثل المطاط على نعل الأحذية ، لضمان حماية الأشخاص الذين يعملون مع المواد الحساسة أو حول المصادر الكهربائية من الشحنات الكهربائية. تُستخدم المواد العازلة الأخرى مثل الزجاج أو البوليمرات أو البورسلين بشكل شائع في خطوط الطاقة وأجهزة إرسال الطاقة عالية الجهد للحفاظ على تدفق الطاقة إلى الدوائر.
باختصار ، ينخفض ​​التوصيل إلى انتقال الحرارة أو نقل الشحنة الكهربائية. يحدث كلاهما نتيجة لقدرة المادة على السماح للجزيئات بنقل الطاقة عبرها.
حجم السلك
يتم قياس الأسلاك من خلال مساحة المقطع العرضي. في العديد من البلدان ، يتم التعبير عن الحجم بالمليمترات المربعة. في أمريكا الشمالية ، تقاس الموصلات بمقياس الأسلاك الأمريكي للأصغر ، والميل الدائري للأكبر .

أمبير الموصل
أقل موصل يمكن أن تحمل قيمة أكبر من الحالية. يتم تحديد المقاومة ، بدورها ، من خلال المادة التي يتكون منها الموصل، وحجم الموصل. بالنسبة لمادة معينة ، تتمتع الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأكبر بمقاومة أقل من الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأصغر.
بالنسبة للموصلات العارية ، فإن الحد الأقصى هو النقطة التي تؤدي عندها الطاقة المفقودة بسبب المقاومة إلى ذوبان الموصل. بصرف النظر عن الصمامات ، يتم تشغيل معظم الموصلات في العالم الحقيقي أقل بكثير من هذا الحد. على سبيل المثال ، عادةً ما تكون الأسلاك المنزلية معزولة بعزل PVC المصنّف فقط للعمل عند حوالي 60 درجة مئوية ، لذلك ، يجب أن يكون التيار في هذه الأسلاك محدودًا بحيث لا يسخن الموصل النحاسي أبدًا فوق 60 درجة مئوية ، مما يتسبب في خطر حدوث حريق . قد يسمح العزل الآخر الأكثر تكلفة مثل التفلون أو الألياف الزجاجية بالتشغيل في درجات حرارة أعلى بكثير.

الخواص

إذا تم تطبيق مجال كهربائي على مادة، وكان التيار الكهربائي المستحث الناتج في نفس الاتجاه ، فيُقال إن المادة موصل كهربائي متناحٍ، إذا كان التيار الكهربائي الناتج في اتجاه مختلف عن المجال الكهربائي المطبق.