Elektrische und thermische Leitfähigkeit
Die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Metallen stehen bei einer gegebenen Temperatur in einem proportionalen Verhältnis zueinander. Allerdings führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Zunahme der thermischen Leitfähigkeit, während die elektrische Leitfähigkeit abnimmt. Dieses Verhalten wird durch das Wiedemann-Franz-Gesetz quantifiziert. Das Gesetz besagt, dass das Verhältnis des elektronischen Beitrags der thermischen Leitfähigkeit (k) zur elektrischen Leitfähigkeit (σ) eines Metalls proportional zur Temperatur (T) ist. Qualitativ basiert diese Beziehung darauf, dass sowohl der Wärme- als auch der elektrische Transport auf den freien Elektronen im Metall beruhen.
Die elektrische Leitfähigkeit nimmt ab, wenn die Partikelgeschwindigkeit steigt, da die Kollisionen die Elektronen vom vorwärts gerichteten Ladungstransport ablenken. Die thermische Leitfähigkeit hingegen steigt mit der durchschnittlichen Partikelgeschwindigkeit, was den vorwärts gerichteten Energietransport erhöht. Das Wiedemann-Franz-Gesetz wird generell bei hohen Temperaturen gut befolgt. In niedrigen und mittleren Temperaturbereichen versagt das Gesetz jedoch aufgrund der inelastischen Streuung der Ladungsträger.
Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit ist eine physikalische Eigenschaft von Materialien, die die Fähigkeit eines Materials zur Leitung von elektrischem Strom darstellt. Die SI-Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist Siemens pro Meter (S/m). Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials wird durch mehrere Faktoren bestimmt, darunter die Dichte und Mobilität von Ladungsträgern (wie Elektronen oder Ionen), die Struktur des Materials, die Temperatur und andere Umweltfaktoren.
Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Metalle und einige Arten von Salzen und Lösungen, werden häufig in elektrischen und elektronischen Anwendungen eingesetzt, wo sie dazu dienen, elektrischen Strom mit minimalen Widerständen oder Energieverlusten zu leiten. Andere Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie Isolatoren und Halbleiter, werden in Anwendungen eingesetzt, in denen sie dazu dienen können, den Fluss elektrischer Ladungen zu steuern oder zu manipulieren.
Thermische Leitfähigkeit
Die thermische Leitfähigkeit der meisten Flüssigkeiten und Feststoffe variiert mit der Temperatur, und bei Dämpfen hängt sie auch vom Druck ab. Im Allgemeinen haben Metalle als Feststoffe eine kristalline Struktur, in der die Ionen (Kerne mit ihren umgebenden Schalen von Kern-Elektronen) translationell äquivalente Positionen im Kristallgitter einnehmen. Metalle haben im Allgemeinen eine hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe thermische Leitfähigkeit und hohe Dichte. Der Transport von thermischer Energie kann daher auf zwei Effekte zurückgeführt werden: die Migration von freien Elektronen und Gittervibrationswellen (Phononen).
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