物質の電気伝導率
この記事では、電気伝導率のトピックを明らかにします。電流とは何か、それが導体の抵抗、そしてそれに応じてその電気伝導率にどのように関係しているかを思い出します。このトピックに触れながら、これらの量を計算するための主な式に注目してみましょう。 現在の速度 そして電界強度との関係。電気抵抗と温度の関係についても触れていきます。
まず、電流とは何かを思い出してみましょう。物質を外部電場に置くと、この場からの力の作用により、物質内で基本電荷キャリア (イオンまたは電子) の移動が始まります。感電してしまいます。電流 I はアンペアで測定され、1 アンペアは 1 クーロンに等しい電荷が 1 秒間にワイヤの断面を流れる電流です。
電流は直流、交流、脈動です。直流電流はその瞬間にはその大きさと方向を変えませんが、交流電流は時間の経過とともにその大きさと方向を変えます（AC発電機と変圧器は正確に交流を与えます）、脈動電流はその大きさを変えますが方向を変えません（例えば、整流された交流）。 。電流パルス）。
物質は電場の作用下で電流を流す傾向があり、この特性は電気伝導率と呼ばれ、物質ごとに異なります。物質の電気伝導率は、物質中の自由荷電粒子、つまりイオンの濃度に依存します。そして、結晶構造にも、分子にも、特定の物質の原子にも結合していない電子。したがって、特定の物質内の自由電荷キャリアの濃度に応じて、物質は導電率の程度によって導体、誘電体、半導体に分類されます。
最も高い電気伝導率を持っています 電流のワイヤー、物理的性質によって、自然界の導体は金属と電解質の 2 つのタイプで表されます。金属では、電流は自由電子の動きによるものです。つまり、電子伝導性があり、電解質（酸、塩、塩基の溶液中）では、イオンの動きによるもので、正の性質を持つ分子の一部です。負電荷、つまり電解質の導電性はイオンです。イオン化した蒸気とガスは混合伝導性を特徴とし、電流は電子とイオンの両方の動きによって生じます。
電子理論は金属の高い電気伝導率を完全に説明します。金属中の価電子と原子核との結合は弱いため、これらの電子は導体の体積全体にわたって原子から原子へ自由に移動します。
金属中の自由電子は、気体、電子ガスのように原子間の空間を満たし、カオスな運動をしていることが分かりました。しかし、金属線が電場に導入されると、自由電子は規則正しく移動し、正極に向かって移動し、電流が発生します。したがって、金属導体内の自由電子の規則正しい動きは電流と呼ばれます。
空間中の電場の伝播速度は、約3億m/s、つまり光速に等しいことが知られています。これは、電線に電流が流れる速度と同じです。
どういう意味ですか？これは、金属内のすべての電子がそのような高速で移動することを意味するわけではありませんが、逆に、ワイヤー内の電子の速度は、条件に応じて毎秒数ミリメートルから数センチメートルです。 電界強度、しかし、電線に沿った電流の伝播速度は光の速度とまったく同じです。
問題は、各自由電子がこの同じ「電子ガス」の一般的な電子の流れの中にあることが判明し、電流の通過中に電場がこの流れ全体に作用し、その結果電子が常に透過するということです。このフィールドは、近隣から近隣へ、相互にアクションします。
しかし、電線に沿った電気エネルギーの伝播速度は非常に速いにもかかわらず、電子はその場所に非常にゆっくりと移動します。したがって、発電所でスイッチがオンになると、ネットワーク全体に電流が即座に発生し、電子は事実上静止します。
しかし、自由電子がワイヤーに沿って移動するとき、その途中で多くの衝突を経験し、原子、イオン、分子と衝突し、そのエネルギーの一部がそれらに伝達されます。この抵抗を克服して移動する電子のエネルギーは部分的に熱として散逸され、導体が加熱されます。
これらの衝突は電子の移動に対する抵抗として機能するため、荷電粒子の移動を妨げる導体の特性が電気抵抗と呼ばれます。ワイヤの抵抗が低い場合、ワイヤは電流によってわずかに加熱されますが、大きな場合は電流によって加熱され、はるかに強く、さらに白くなります。この効果は加熱装置や白熱灯で使用されます。
抵抗変化の単位はオームです。抵抗 R = 1 オームはそのようなワイヤの抵抗であり、1 アンペアの直流電流がワイヤを通過すると、ワイヤの両端の電位差は 1 ボルトになります。 1 オームの抵抗の標準は、温度 0 °C における高さ 1063 mm、断面積 1 sq. Mm の水銀柱です。
ワイヤは電気抵抗によって特徴付けられるため、ワイヤはある程度の電流を流すことができると言えます。これに関連して、導電率または電気伝導率と呼ばれる値が導入されます。電気伝導率は、導体が電流を流す能力、つまり電気抵抗の逆数です。
電気伝導度 G (導電率) の単位はシーメンス (S) であり、1 S = 1 / (1 オーム) です。 G = 1 / R。
異なる物質の原子は異なる程度で電流の通過を妨げるため、異なる物質の電気抵抗は異なります。このため、この概念が導入されました 電気抵抗、その値«p»は、このまたはその物質の導電特性を特徴付けます。
比電気抵抗はオーム * m で測定されます。つまり、一辺が 1 メートルの立方体の抵抗です。同様に、物質の電気伝導率は、S/mで測定される比電気伝導率α、つまり一辺が1メートルの立方体の物質の伝導率によって特徴付けられます。
現在、電気工学における導電性材料は主に、一定の断面積と一定の長さを備えたリボン、タイヤ、ワイヤの形で使用されていますが、メートル立方体の形では使用されていません。また、特定のサイズのワイヤの電気抵抗と導電率をより便利に計算するために、電気抵抗と導電率の両方に対してより許容可能な測定単位が導入されました。 Ohm * mm2 / m — 抵抗の場合、Cm * m / mm2 — 導電率の場合。
これで、電気抵抗と導電率は、温度20°Cでの断面積1平方mm、長さ1メートルのワイヤの導電特性を特徴付けると言え、より便利です。
金、銅、銀、クロム、アルミニウムなどの金属は、最も優れた導電性を持っています。鋼と鉄は導電性が低いです。純金属は合金よりも常に優れた導電性を持っているため、電気工学では純銅が好まれます。特に高い抵抗が必要な場合は、タングステン、ニクロム、コンスタンタンが使用されます。
比電気抵抗または導電率の値がわかれば、このワイヤの長さ l と断面積 S を考慮して、特定の材料で作られた特定のワイヤの抵抗または導電率を簡単に計算できます。
すべての材料の電気伝導率と電気抵抗は温度に依存します。これは、結晶格子の原子の熱振動の周波数と振幅も温度の上昇とともに増加し、電流と電子の流れに対する抵抗もそれに応じて増加するためです。
逆に温度が下がると結晶格子の原子の振動が小さくなり、抵抗が小さくなります（導電率が大きくなります）。一部の物質では、抵抗の温度依存性がそれほど顕著ではありませんが、他の物質では温度依存性がより強くなります。たとえば、コンスタンタン、フェクラル、マンガニンなどの合金は、特定の温度範囲で抵抗がわずかに変化するため、熱安定性抵抗器がこれらの合金で作られています。
抵抗の温度係数? 特定の材料について、特定の温度における抵抗の増加を計算し、温度が 1 °C 上昇したときの抵抗の相対的な増加を数値的に特徴付けることができます。
抵抗の温度係数と温度上昇がわかれば、特定の温度における物質の抵抗を簡単に計算できます。
私たちの記事があなたのお役に立てば幸いです。これで、あらゆる温度であらゆるワイヤの抵抗と導電率を簡単に計算できるようになりました。