コンダクタンスとコンダクタンスの紹介

ここまでで、電気伝導率と特定の種類の材料との相関関係をよく知っているはずです。自由電子の通過を容易にするこれらの材料は、導体と呼ばれます。 、自由電子の通過を妨げるこれらの材料は絶縁体と呼ばれます 。

残念ながら、特定の物質が伝導する理由と他の物質が伝導しない理由を説明する科学理論は、電子が原子核の周りにどのように配置されるかについての量子力学的説明に根ざしており、非常に複雑です。原子核の周りを旋回する電子のよく知られた「惑星」モデルや、円形または楕円軌道の明確に定義された物質の塊とは異なり、「軌道」の電子は実際には物質の断片のようには機能しません。むしろ、それらは粒子と波の両方の特性を示し、それらの振る舞いは「シェル」および「サブシェル」と呼ばれる核の周りの別個のゾーン内に配置されることによって制約されます。電子は、特定のゾーンとそのゾーンが他の電子でどの程度占有されているかに応じて、限られた範囲のエネルギーでのみこれらのゾーンを占有できます。電子が実際に静電引力によって原子核の周りの軌道に保持された小さな惑星のように振る舞う場合、それらの作用は実際の惑星の動きを説明する同じ法則によって記述され、導体と絶縁体の間に実際の区別はあり得ず、原子間の化学結合はそうではありません彼らが今しているように存在します。これらの現象に規則性を与えるのは、量子物理学によって記述された電子エネルギーと配置の離散的な「定量化された」性質です。

励起状態の原子

電子が原子核の周りでより高いエネルギー状態を自由にとることができる場合（特定の「殻」に配置されているため）、電子は原子から自由に離れて、物質を流れる電流の一部を構成する可能性があります。

基底状態の原子

しかし、電子に課せられた量子制限がこの自由を否定する場合、電子は「束縛された」と見なされ、電流を構成するために（少なくとも容易に）分離することはできません。前者のシナリオは導電性材料に典型的であり、後者は絶縁性材料に典型的です。

一部の教科書では、元素の電気伝導率は、原子の外側の「殻」（原子価と呼ばれる）に存在する電子の数によってのみ決定されると説明されています。 シェル）、しかしこれは過度に単純化されています。元素の表で導電率と価電子を調べると確認できます。分子の導電率（電子活動によって互いに結合した原子の集まり）を考慮すると、状況の真の複雑さがさらに明らかになります。

この良い例は、導電率が大きく異なる材料である炭素元素です。グラファイトとダイヤモンド 。グラファイトは電気の公正な導体ですが、ダイヤモンドは実質的に絶縁体です（まだ見知らぬ人ですが、技術的には半導体に分類されます。 、純粋な形では絶縁体として機能しますが、高温および/または不純物の影響下で伝導する可能性があります）。グラファイトとダイアモンドはどちらもまったく同じ種類の原子で構成されています。炭素は、それぞれ6つの陽子、6つの中性子、6つの電子を持っています。グラファイトとダイヤモンドの基本的な違いは、グラファイト分子は炭素原子の平らなグループであるのに対し、ダイヤモンド分子は炭素原子の四面体（ピラミッド型）のグループであるということです。

電気的、光学的、構造的特性を変える目的で真性半導体に不純物を意図的に導入することを、 ドーピングと呼びます。 。炭素の原子が他の種類の原子と結合して化合物を形成すると、電気伝導率が再び変化します。シリコンと炭素の元素の化合物である炭化ケイ素は、非線形の振る舞いを示します。その電気抵抗は、印加電圧の増加とともに減少します。炭化水素化合物（油に含まれる分子など）は、非常に優れた絶縁体になる傾向があります。ご覧のとおり、原子内の価電子の単純なカウントは、物質の電気伝導率の指標としては不十分です。

すべての金属元素は、原子が互いに結合する方法のために、優れた電気伝導体です。金属の塊を構成する原子の電子は、許容エネルギー状態で抑制されていないため、物質内のさまざまな原子核の間を自由に浮遊し、任意の電場によって容易に動機付けられます。実際、電子は非常に移動性が高いため、科学者は電子ガスと表現することがあります。 、または電子海 原子核が休んでいるところ。この電子移動度は、金属の他の一般的な特性のいくつかを説明します。優れた熱伝導率、展性と延性（さまざまな形状に簡単に成形可能）、純粋な場合の光沢のある仕上がりです。

ありがたいことに、このすべての背後にある物理学は、ここでの私たちの目的とはほとんど無関係です。いくつかの材料は良い導体であり、いくつかは悪い導体であり、いくつかはその中間であると言えば十分です。今のところ、これらの違いは材料の構成原子の周りの電子の配置によって決定されることを簡単に理解するだけで十分です。

電気を使って入札するための重要なステップは、制御された量の抵抗で電流が流れる経路を構築できるようにすることです。また、絶縁材料を使用することで、電流が流れたくない場所に流れるのを防ぐことができることも非常に重要です。ただし、すべての導体が同じであるとは限りません。また、すべてが絶縁体でもありません。一般的な導体と絶縁体の特性のいくつかを理解し、これらの特性を特定のアプリケーションに適用できるようにする必要があります。

ほとんどすべての導体は、特定の測定可能な抵抗を持っています（超伝導体と呼ばれる特殊なタイプの材料） 電気抵抗はまったくありませんが、通常の材料ではないため、超導電性にするために特別な条件で保持する必要があります）。通常、回路内の導体の抵抗はゼロであると想定し、電流が感知できるほどの電圧降下を発生させることなく導体を通過すると予想します。ただし、実際には、電圧降下を発生させるかどうかに関係なく、ほとんどの場合、電気回路の（通常の）導電経路に沿って電圧降下が発生します。

これらの電圧降下が特定の回路でどのようになるかを計算するには、ワイヤのサイズと直径を知って、通常のワイヤの抵抗を確認できる必要があります。この章の次のセクションのいくつかでは、これを行うための詳細について説明します。

レビュー：

• 材料の電気伝導率は、その材料の原子と分子（結合した原子のグループ）内の電子の配置によって決まります。
• すべての通常の導体にはある程度の抵抗があります。
• （任意の）抵抗を持つ導体を流れる電流は、その導体の長さ全体である程度の電圧降下を引き起こします。

関連するワークシート：

• 導体と絶縁体のワークシート
• 導体の比抵抗ワークシート