導体、絶縁体、電子流の科学を理解する

異なる原子の電子は、自由度の程度が異なります。金属では外側の電子が緩く結合しており、室温の熱の影響で原子間を混沌と移動します。これらの自由電子は自由にドリフトでき、金属に高い導電性を与えます。

導体と絶縁体

ガラスのような材料は電子を強く保持するため、ほとんど動きません。機械的なこすり合わせで一部の電子を強制的に剥離し、隣接原子に移動させることはできますが、内部移動性は限定的です。電子移動のこの相対的な容易さは電気伝導率として知られ、材料の原子組成と結合構造に依存します。

豊富な自由電子を持つ材料は導体、少ないまたは持たないものは絶縁体です。一般的な例：

• 導体
• 銀
• 銅
• 金
• アルミニウム
• 鉄
• 鋼
• 真鍮
• 青銅
• 水銀
• グラファイト
• 汚水
• コンクリート

• 絶縁体
• ガラス
• ゴム
• 油
• アスファルト
• 繊維ガラス
• 磁器
• セラミック
• 石英
• （乾燥）綿
• （乾燥）紙
• （乾燥）木材
• プラスチック
• 空気
• ダイヤモンド
• 純水

すべての導体が等しいわけではありません。銀が最高の伝導率（≈6.3×10⁷ S/m）を持ち、銅（≈5.96×10⁷ S/m）が続きます。汚水やコンクリートのような非金属導体は金属よりはるかに導電率が低いです。同様に、絶縁体も抵抗に差があります。ガラスはほとんどのプラスチックより優れた絶縁体であり、透明な繊維ガラスでも窓ガラスより効果的に電流を遮断します。

材料は温度によって電気的振る舞いを変えることがあります。室温では優れた絶縁体であるガラスも、極端な高温では導電性になります。空気のような気体は通常絶縁体ですが、高熱で電離して導通します。金属は一般的に温度上昇で導電率を失い、超伝導体は極低温でゼロ抵抗を実現します。

電子流 / 電流

導体内では自由電子がランダムに動きます。しかし、外部電場がそれらの運動を整列させ、一様なドリフトを生み出します。これが電気または電流と呼ばれるものです。これは、電荷が運動なしに蓄積する静電気の動的な対応物です。

ビー玉で満たされたパイプを想像してください：左端に1個ビー玉を押し込むと、パイプの長さに関わらず右端からほぼ瞬時に別のビー玉が飛び出します。現実には、電気信号は光速（≒186,000マイル/秒）で伝わりますが、各電子はゆっくりドリフトします。この現象が回路の応答が非常に速い理由を説明します。

ワイヤを通る電子流

電子を所望の方向に導くため、適切なゲージの銅やアルミニウムなどの高導電性金属ワイヤを設置します。電流は連続した導電経路がある場所にのみ存在します。閉ループが不可欠です。ワイヤの断線は、キャップされたパイプが水を止めるのと同様に流れを遮断します。

図では実線が連続した銅線を表します。左に仮想的な電子源、右に着地点を追加すると、経路が完全なとき電流が流れます。ワイヤが切断されると、流れは完全に停止します。

電気的連続性

空気ギャップは絶縁体として働き、連続性を断ちます。接触を回復（2つのワイヤ端を接触させる）することで完全な回路が再確立され、電子が再び流れます。これは破損したパイプをティー継手で再接続するのに似ています。

水道管とは異なり、金属ワイヤは電子流による摩耗を受けません。しかし、電子の摩擦（抵抗加熱）は熱を生成し、これは後のセクションで議論します。

レビュー

• 導電性材料では外側電子が自由に動ける（自由電子）。
• 絶縁性材料では外側電子が強く結合されている。
• すべての金属は電気的に導電性である。
• 動的電気（電流）は電子の協調的ドリフトである。
• 静電気は絶縁体上の定常電荷蓄積である。
• 連続電流には途切れのない導電経路が必要。

関連ワークシート

• 導体と絶縁体 ワークシート