導体、絶縁体、および電子の流れ

さまざまな種類の原子の電子は、動き回る自由度が異なります。金属などの一部の種類の材料では、原子の最も外側の電子が非常に緩く結合しているため、室温の熱エネルギーの影響だけで、その材料の原子間の空間を無秩序に移動します。これらの実質的に結合していない電子は、それぞれの原子を自由に離れ、隣接する原子間の空間を浮遊するため、自由電子と呼ばれることがよくあります。 。

導体と絶縁体

ガラスなどの他の種類の材料では、原子の電子は動き回る自由がほとんどありません。物理的な摩擦などの外力により、これらの電子の一部がそれぞれの原子を離れて別の材料の原子に移動する可能性がありますが、その材料内の原子間を簡単に移動することはできません。

材料内の電子のこの相対移動度は、電気導電率として知られています。 。導電率は、材料内の原子の種類（各原子の原子核内の陽子の数によってその化学的同一性が決まります）と、原子が互いにどのように結合しているかによって決まります。電子移動度の高い（多くの自由電子）材料は、導体と呼ばれます。 、電子移動度が低い（自由電子がほとんどまたはまったくない）材料は絶縁体と呼ばれます。 。導体と絶縁体の一般的な例を次に示します。

• 指揮者
• シルバー
• 銅
• ゴールド
• アルミニウム
• 鉄
• 鋼
• 真ちゅう
• ブロンズ
• 水銀
• グラファイト
• 汚れた水
• コンクリート

• 絶縁体
• ガラス
• ゴム
• オイル
• アスファルト
• グラスファイバー
• 磁器
• セラミック
• クォーツ
• （ドライ）コットン
• （乾いた）紙
• （乾燥）木材
• プラスチック
• 空気
• ダイヤモンド
• 純水

すべての導電性材料が同じレベルの導電性を持っているわけではなく、すべての絶縁体が電子の動きに対して等しく耐性があるわけではないことを理解する必要があります。電気伝導率は、特定の材料の光に対する透明度に類似しています。光を簡単に「伝導」する材料は「透明」と呼ばれ、そうでない材料は「不透明」と呼ばれます。ただし、すべての透明な材料が同じように光を伝導するわけではありません。窓ガラスはほとんどのプラスチックよりも優れており、確かに「透明な」ガラス繊維よりも優れています。ですから、それは電気導体であり、いくつかは他よりも優れています。

たとえば、銀は「導体」リストの中で最高の導体であり、引用されている他のどの材料よりも電子の通過が容易です。汚れた水やコンクリートも導体としてリストされていますが、これらの材料はどの金属よりも導電性が大幅に低くなっています。

また、一部の材料では、さまざまな条件下で電気的特性が変化することも理解しておく必要があります。たとえば、ガラスは室温では非常に優れた絶縁体ですが、非常に高温に加熱すると導体になります。通常は絶縁材料である空気などのガスも、非常に高温に加熱すると導電性になります。ほとんどの金属は、加熱すると導体が弱くなり、冷却すると導体が良くなります。多くの導電性材料は完全に導電性になります（これは超伝導と呼ばれます ）極低温で。

電子の流れ/電流

導体内の「自由な」電子の通常の動きはランダムであり、特定の方向や速度はありませんが、電子は導電性材料を介して協調的に移動するように影響を受ける可能性があります。この電子の均一な動きは、私たちが電気と呼んでいるものです。 または電流 。より正確には、動的電気と呼ぶことができます。 静電気とは対照的 、これは動かない電荷の蓄積です。パイプの空を流れる水と同じように、電子は導体の原子内および原子間の空の空間内を移動することができます。導体は私たちの目にはしっかりしているように見えるかもしれませんが、原子で構成されている材料はほとんど空の空間です！液体の流れのアナロジーは非常に適切であるため、導体を通る電子の動きはしばしば「流れ」と呼ばれます。

ここで注目に値する観察が行われる可能性があります。各電子が導体内を均一に移動すると、その前の電子が押し出され、すべての電子がグループとして一緒に移動します。各電子の動きが非常に遅い場合でも、導電経路の長さを通る電子の流れの開始と停止は、導体の一方の端からもう一方の端へと事実上瞬時に行われます。おおよその例えは、ビー玉で端から端まで満たされたチューブの例えです。

導体が外部の影響によって動かされる準備ができている自由電子でいっぱいであるように、チューブはビー玉でいっぱいです。左側のこの完全なチューブに突然1つのビー玉が挿入されると、別のビー玉がすぐに右側のチューブから出ようとします。各大理石は短い距離しか移動しませんでしたが、チューブの長さに関係なく、チューブを介した動きの伝達は、左端から右端へと実質的に瞬時に行われます。電気の場合、導体の一方の端からもう一方の端への全体的な影響は、光速で発生します。1秒あたり186,000マイルの速さです!!!ただし、個々の電子は、多くので導体を通過します。 ペースが遅い。

ワイヤーを通る電子の流れ

電子を特定の方向に特定の場所に流したい場合は、配管工が水を流したい場所に水を流すために配管を設置する必要があるのと同じように、電子が移動するための適切な経路を提供する必要があります。これを容易にするために、ワイヤー さまざまなサイズの銅やアルミニウムなどの導電性の高い金属でできています。

電子は、材料の原子間の空間を移動する機会がある場合にのみ流れることができることを忘れないでください。これは、電流がのみ存在する可能性があることを意味します ここで、電子が通過するための導管を提供する導電性材料の連続経路が存在します。ビー玉の例えでは、ビー玉が流出するためにチューブが右側で開いている場合にのみ、ビー玉はチューブの左側に流れ込むことができます（したがって、チューブを通って流れます）。チューブが右側でブロックされている場合、大理石はチューブ内に「積み重なる」だけで、大理石の「流れ」は発生しません。同じことが電流にも当てはまります。電子の連続的な流れには、その流れを可能にするための途切れのない経路が必要です。これがどのように機能するかを説明するために図を見てみましょう：

細い実線（上記のように）は、連続したワイヤーの従来の記号です。ワイヤーは銅などの導電性材料でできているため、その構成原子には多くの自由電子があり、ワイヤー内を簡単に移動できます。ただし、このワイヤ内には、発生する場所と移動する場所がない限り、電子が連続的または均一に流れることはありません。架空の電子「ソース」と「デスティネーション」を追加しましょう：

これで、電子源が左側のワイヤーに新しい電子を押し込むと、ワイヤーを通る電子の流れが発生する可能性があります（左から右を指す矢印で示されています）。ただし、ワイヤによって形成された導電パスが切断されると、フローが中断されます。

電気的連続性

空気は絶縁材料であり、エアギャップが2本のワイヤを分離しているため、かつては連続していた経路が切断され、電子はソースからデスティネーションに流れることができなくなりました。これは、水道管を2つに切断し、パイプの壊れた端を塞ぐようなものです。パイプからの出口がないと、水は流れません。電気的には、電気的な連続性の条件がありました。 ワイヤーが一体になっていて、ワイヤーを切断して分離すると、その連続性が失われます。

デスティネーションにつながる別のワイヤーを取り、ソースにつながるワイヤーと単純に物理的に接触すると、電子が流れるための連続したパスが再び得られます。図の2つの点は、ワイヤ間の物理的（金属間）接触を示しています。

これで、ソースから新しく作成された接続、下、右、そして宛先までの連続性が得られます。これは、キャップオフされたパイプの1つに「ティー」フィッティングを配置し、パイプの新しいセグメントを介して目的地に水を送ることに似ています。右側の断線したセグメントは、ソースからデスティネーションへの完全なパスの一部ではなくなったため、電子が流れていないことに注意してください。

長時間の流れによって最終的に腐食して摩耗する水を運ぶパイプとは異なり、この電流によってワイヤ内に「摩耗」が発生しないことに注意するのは興味深いことです。ただし、電子は移動するときにある程度の摩擦に遭遇しますが、この摩擦によって導体に熱が発生する可能性があります。これは、後で詳しく説明するトピックです。

レビュー：

• 導電性 材料では、各原子の外側の電子は簡単に出入りすることができ、自由電子と呼ばれます。 。
• 絶縁 材料の場合、外側の電子はそれほど自由に動くことはできません。
• すべての金属は導電性です。
• 動的電気 、または電流 、は導体を通る電子の均一な運動です。
• 静電気 は動かず（絶縁体上にある場合）、物体内の電子の過剰または不足によって形成された蓄積電荷です。これは通常、接触による電荷の分離と異種材料の分離によって形成されます。
• 電子が導体を連続的に（無期限に）流れるためには、電子がその導体に出入りするための完全で途切れのない経路が必要です。

関連するワークシート：

• 導体と絶縁体のワークシート