電気導体の特性
電気伝導体とは、電位差が適用されたときに電荷が容易に通過できる材料です。電気伝導体は、配線、送電線、電気機器、加熱要素、静電シールドなど、多くの用途で必要不可欠です。この記事では、電気伝導体の特性、種類、例、および応用について探求します。
電気伝導体とは何か？
電気伝導体とは、自由電子またはイオンを持ち、それらが電界が適用されたときに電流を運ぶことができる材料を指します。材料の導電性はその導電率と呼ばれ、絶縁体は非常に少ないまたは全く自由電子やイオンを持っておらず、電流が通過することを許可しません。
材料の導電性は、その原子構造、温度、不純物、外部影響などの要因によって異なります。一般的に、金属は外殻に多くの自由電子を持つため高い導電性を持ちます。良い伝導体の例としては銀、銅、金、アルミニウム、鉄、グラファイトがあります。非金属は外殻に自由電子がほとんどないか全くないため、導電性が低く、電子を強く保持します。絶縁体の例としてはゴム、ガラス、木材、プラスチック、空気があります。
一部の材料は、伝導体と絶縁体の中間の導電性を持っています。これらの材料は半導体と呼ばれ、電子機器やコンピュータ技術で広く使用されています。半導体の例としてはシリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、カーボンナノチューブがあります。
電気伝導体の特性
電気伝導体は平衡状態にあるときにはいくつかの共通の特性を示します。これらの特性は以下の通りです：
抵抗：抵抗は、伝導体が電流の流れにどれだけ反対するかを測定するものです。それは材料の比抵抗、長さ、断面積、温度に依存します。比抵抗は、材料の固有の性質であり、単位長さと面積あたりの抵抗を決定します。これは導電性に逆比例します。伝導体は低い比抵抗と低抵抗を持ちますが、絶縁体は高比抵抗と高抵抗を持ちます。抵抗は、伝導体において一部の電気エネルギーを熱エネルギーに変換します。これはジュール熱またはオーム熱と呼ばれます。
インダクタンス: インダクタンスは、伝導体が通過する電流の変化にどれだけ反対するかを測定するものです。それは伝導体の形状、サイズ、向き、配置に依存します。インダクタンスは、電流が伝導体を通過すると、その周りに磁場を生成します。この磁場は、同じまたは近くの伝導体に電動力（EMF）を誘導し、電流の変化に反対します。これを自己インダクタンスまたは相互インダクタンスと呼びます。インダクタンスは、伝導体を使用して交流供給を行う場合、電流分布と電圧降下に影響を与えます。
伝導体内部の電場はゼロ: 完全な伝導体内部の電場はゼロです。なぜなら、任意の電場が自由電子に力を及ぼし、それらを加速し、均衡に達するまで続けます。均衡状態では、自由電子に対するネットの力はゼロであり、それらは動きません。つまり、伝導体内部には電位差がなく、すべての点が同じ電位であることを意味します。この特性により、伝導体は電気設備の静電シールドに適しています。
伝導体内部の電荷密度はゼロ: 完全な伝導体内部の電荷密度はゼロです。なぜなら、任意の電荷が電場を生成し、それが同じ電荷を伝導体の表面に押し出すからです。同種の電荷（電子）間の相互静電反発がそれらを伝導体の外側表面に押し出し、可能な限り遠ざけます。つまり、伝導体内部には電荷が存在せず、自由電荷は表面にのみ存在します。
自由電荷は伝導体の表面にのみ存在する: 上記のように、自由電荷（電子）は伝導体内部には存在せず、静電反発により表面にのみ存在します。表面の自由電荷の量と分布は、伝導体の形状とサイズ、および外部に適用される電場に依存します。
伝導体表面の電場は表面に対して垂直である: 完全な伝導体表面の電場は表面に対して垂直（直角）です。なぜなら、接線成分があると、自由電子が表面を動き、接線成分をキャンセルするまで動き続けるからです。つまり、表面には並行成分の電場がなく、垂直成分のみが存在します。
電気伝導体の種類
電気伝導体は、その構造、組成、挙動、応用に基づいて異なる種類に分類できます。一般的な種類は以下の通りです：
金属伝導体: これらは自由電子を持つ金属または合金で作られた伝導体です。それらは配線、送電線、電気機器、電気接触部などに広く使用されます。いくつかの例は銀 (Ag)、銅 (Cu)、金 (Au)、アルミニウム (Al)、鉄 (Fe) などです。
イオン伝導体: これらは水に溶解したり液体状態になったときに自由イオンを持つイオン化合物で作られた伝導体です。それらは電解、バッテリー、燃料電池などに使用されます。いくつかの例は塩化ナトリウム (NaCl)、水酸化カリウム (KOH)、硫酸 (H2SO4) などです。
分子伝導体: これらは重ね合わせ可能な電子または分子軌道を持つ分子で作られた伝導体です。それらは有機電子、ナノテクノロジーなどに使用されます。いくつかの例はグラファイト (C)、カーボンナノチューブ (CNTs)、ポリアセチレン (PA) などです。
超伝導体: これらは特定の臨界温度以下に冷却されると抵抗がゼロになり、導電性が無限大になる伝導体です。それらはまたマイスナー効果、持続電流、量子浮上などの現象も示します。それらは超伝導磁石、量子コンピュータ、医療画像処理などに使用されます。いくつかの例は水銀 (Hg)、鉛 (Pb)、ヤットリウムバリウム銅酸化物 (YBCO) などです。
電気伝導体の応用
電気伝導体は、科学、工学、技術の様々な分野で多くの応用があります。一般的な応用は以下の通りです：
配線: 配線は電気伝導体の最も一般的な用途の一つです。これは銅やアルミニウムなどの金属伝導体で作られたワイヤーを使って、さまざまな電気デバイスやコンポーネントを接続することを含みます。配線は、最小限の損失や干渉で電力を一点から別の点へと流すことができます。
送電線: 送電線は、高電圧交流 (HVAC) または直流(HVDC) を発電所から変電所または消費者まで長距離で送る特殊なワイヤーやケーブルです。送電線はアルミニウムや鋼芯強化された鋼製のものや光ファイバーを使用します。送電線は、最小限の損失や干渉で効率的に電力を送ることができます。
電気機器: 電気機器は電気エネルギーを機械エネルギーに、またはその逆に変換する装置です。モーター、ジェネレータ、トランスフォーマーなどが含まれます。電気機器は巻線、コイル、または
