Belangrijkste verschil - geleider versus isolator

Geleider en Isolator zijn termen die beschrijven of een bepaald materiaal eigenschappen heeft die gunstig zijn voor het geleiden van elektriciteit of warmte. De grootste verschil tussen geleider en isolator is dat a geleider geleidt elektriciteit of warmte goed, terwijl an isolator geleidt elektriciteit of warmte slecht. Op basis van of we geïnteresseerd zijn in het vermogen van een materiaal om elektriciteit of warmte te geleiden, gebruiken we termen: elektrische geleider/isolator of thermische geleider/isolator.

Wat is een dirigent?

EEN thermische geleider: geleidt warmte goed. De snelheid van warmteoverdracht,

of de warmtestroom, tussen twee objecten met een temperatuurverschil van

is gegeven door

waar,

en

zijn respectievelijk het dwarsdoorsnede-oppervlak en de lengte van de geleider die warmte overbrengt. De brief

heet de warmtegeleiding, gemeten in eenheden van W m^-1 K^-1. Deze letter kenmerkt het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden. Zo heeft koper een warmtegeleidingsvermogen van ongeveer 390 W m^-1 K^-1 terwijl droog hout een warmtegeleidingsvermogen heeft van ongeveer 0,05 W m^-1 K^-1.

Het vermogen van een materiaal om elektriciteit te geleiden wordt gekenmerkt door zijn: elektrische geleiding (

), wat wordt gedefinieerd als het omgekeerde van de soortelijke weerstand van het materiaal. Dat is,

waar,

is de stroomdichtheid en

is de elektrische veldsterkte. In werkelijkheid wordt de geleidbaarheid van een materiaal vaker berekend met de formule:

waar,

is de lengte van de geleider en

is het dwarsdoorsnede-oppervlak van de geleider.

is de weerstand van de geleider, gegeven door de verhouding van het potentiaalverschil over de geleider tot de stroom door de geleider. De eenheid voor het meten van elektrische geleidbaarheid is S m^-1 (Siemens per meter). Koper heeft een elektrische geleidbaarheid van ongeveer 5,9 × 10⁷ S m^-1. terwijl lood een elektrische geleidbaarheid heeft van ongeveer 4,6 × 10⁶ S m^-1.

Afmetingen gebruikt om geleidbaarheid te berekenen

In metalen zijn elektronen voornamelijk verantwoordelijk voor het transporteren van zowel stroom als warmte. Daarom zijn elektrische en thermische geleidbaarheid nauw verwant. De relatie wordt gegeven door de Wet Wiedemann-Franz:

waarbij, T de absolute temperatuur is (in Kelvin) en

is een constante genaamd de Lorenz constante (

).

De relatie tussen thermische en elektrische geleidbaarheid voor niet-metalen zijn niet zo duidelijk met elkaar verbonden: dit komt omdat elektriciteit altijd wordt gedragen door gratis ladingsdragers, terwijl warmte ook kan worden geleid door trillingen van ionen die niet vrij kunnen bewegen. Doorgaans zijn materialen met metaalbindingen goede thermische en elektrische geleiders, omdat ze vrije elektronen bevatten die zich gemakkelijk kunnen verplaatsen en zowel elektriciteit als warmte geleiden.

Wat is een isolator?

Een materiaal met een lage thermische geleidbaarheid wordt a. genoemd thermische isolator. Glas is ook een goede isolator, met een warmtegeleidingsvermogen van ongeveer 0,8 W m^-1 K^-1. Lucht is een nog betere thermische isolator, met een warmtegeleidingsvermogen van ongeveer 0,02 W m^-1 K^-1. Dubbel glas maakt gebruik van de lage thermische geleidbaarheid van lucht om huizen te isoleren door een luchtlaag op te sluiten tussen twee glaslagen.

evenzo, elektrische isolatoren zijn materialen met een lage elektrische geleidbaarheid. PVC, dat wordt gebruikt om kabels te isoleren, heeft een zeer lage geleidbaarheid in de orde van 10^-12 – 10^-13 S m^-1. Doorgaans zijn materialen gemaakt van polymeren (met covalente bindingen ertussen met zeer weinig vrije elektronen) goede thermische en elektrische isolatoren omdat de meeste van hun elektronen stevig zijn gebonden.

Verschil tussen geleider en isolator

Geleiders zijn goed in het geleiden van warmte en/of elektriciteit

isolatoren zijn niet goed in het geleiden van warmte en/of elektriciteit.

Het beste geleiders hebben veel vrije dragers, zoals elektronen.

Het beste isolatoren hebben niet veel gratis vervoerders.

Afbeelding met dank aan

"Een enigszins cartoonesk diagram van de geometrie van de weerstandsvergelijking." door gebruiker: Omegatron (eigen werk) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons