電気導体：定義、種類と特性

電気導体とは、電荷がほとんど抵抗なく流れることができる材料です。電気導体は通常、銅、銀、金、アルミニウム、鉄などの金属です。それらには多くの自由電子があり、電界が適用されると簡単に移動することができます。電気導体は、電流を運ぶワイヤー、ケーブル、回路、その他の装置を作るために使用されます。

電気導体とは何か？

電気導体とは、一つまたは複数の方向に電荷の流れを許す物体または材料のことです。金属製の材料は一般的な電気導体であり、金属は高い導電性と低い抵抗を持っています。

電気導体は、その材料の原子間で電子がドリフト速度で伝導帯内で流れることを許します。伝導帯とは、電子が材料内で自由に動けるエネルギー準位です。導体は、電場や熱効果によって励起されることができる緩く結合した価電子を持つ原子から形成されています。電子が価電子帯から伝導帯に移動すると、正の穴が残り、これも電荷を運ぶことができます。

電気導体は金属、金属合金、電解質、またはグラファイトや導電性ポリマーのような非金属である場合があります。これらの材料は、電気（つまり、電荷の流れ）を容易に通過させることができます。

導体はどのように電流を導きますか？

導体における電流は、導体の断面を通る電荷の流れの割合です。電流は電界と材料の導電性に比例します。電界は、電圧または導体全体にわたる電位差によって生じます。導電性は、材料が電荷の流れをどれだけ容易に許すかを測定するものです。

導体に電位差が適用されると、伝導帯内の電子はエネルギーを得て、電圧源の負極から正極へとドリフトし始めます。電流の方向は電子の流れの方向とは逆であり、電流は正の電荷の流れとして定義されています。電子は導体内の原子や他の電子と衝突し、これが抵抗と熱発生を引き起こします。抵抗は、材料が電荷の流れに対する反対力をどの程度持つかを測定するものです。

導体における電流は、以下のいくつかの要素に依存します：

• 導体にかかる電位差

• 導体の長さと断面積

• 材料の温度と組成

• 材料中に含まれる不純物や欠陥

電気導体の特性は何ですか？

電気導体の主な特性は以下の通りです：

• 高い導電性と低い抵抗

• 伝導帯に多くの自由電子がある

• 価電子帯と伝導帯の間にエネルギーギャップがない

• 正イオンの格子と電子雲を形成する金属結合を持っている

• 内部に電界と電荷密度がゼロである

• 表面にのみ自由電荷がある

• 表面に対して垂直な電界がある

電気導体の種類は何ですか？

電気導体は、オームの法則への応答に基づいて分類することができます。オームの法則は、導体における電流はそれにかかる電位差に比例し、その抵抗に反比例することを述べています。

オーム的導体

オーム的導体は、任意の電位差と温度においてオームの法則に従う材料です。電圧と電流の間に線形関係があり、抵抗は一定です。ほとんどの金属は通常条件下でオーム的導体です。

例：銀、銅、アルミニウム、鉄など。

非オーム的導体

非オーム的導体は、任意の電位差や温度においてオームの法則に従わない材料です。電圧と電流の間に非線形関係があり、抵抗は適用される電圧に応じて変化します。非オーム的導体は、電圧が増加すると電流が減少する負の抵抗や、電圧が増加すると電流が増加するが比例しない正の抵抗を示すことがあります。また、一部の非オーム的導体には、その下では電流が流れない閾値電圧があることもあります。

固体導体

固体導体は、固定された形状と体積を持つ材料です。さらに、金属および非金属導体に分けられます。

• 金属導体：これらは高導電性と低抵抗率を持つ金属または金属合金です。正イオンの格子と自由電子の海から構成されています。金属導体の例としては、銀、銅、金、アルミニウム、鉄、真鍮、青銅などがあります。

• 非金属導体：これらは構造内に一部の自由電子またはイオンを持つ非金属です。金属よりも導電性が低く、抵抗率が高いです。非金属導体の例としては、グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェンなどがあります。

液体導体

液体導体は、固定された形状を持たないが固定された体積を持つ材料です。さらに、金属および非金属導体に分けられます。

• 金属導体：これらは室温または加熱時に液体状態にある金属です。高導電性と低抵抗率を持ちます。固体金属と似た構造を持っていますが、原子間の間隔が広く、移動性が高いです。金属液体導体の一例は水銀です。

• 非金属導体：これらは溶解イオンまたは分子を持ち、電荷を運ぶことができる液体です。金属よりも導電性が低く、抵抗率が高いです。溶媒中の極性またはイオン性溶質の構造を持っています。非金属液体導体の例としては、塩水、酸溶液、電解質などがあります。

電気導体の導電性に影響を与える要因

電気導体の導電性は、以下のいくつかの要因に依存します：

• 自由電荷キャリアの種類と数：材料内の自由電子またはイオンが多いほど、導電性が高く、抵抗率が低くなります