金属原子の最も外側の電子は、鎖構造に閉じ込められたポリマーとは異なり、ある原子から別の原子に自由に移動できます。ワイヤに電流を流すと、新しい電子が導入され、既存の自由電子が移動して、もう一方の端の余分な電子が陰極または正端子によって運ばれる限り、自由電子が移動します。
熱は、金属の攪拌原子を通って移動し、隣の原子を攪拌し、ワイヤの反対側または端まで移動します。これが金属伝導の仕組みです。それでは、さらに深く掘り下げて、金属導体とは何かを学びましょう。
金属導体とは?
金属にはある種の化学結合 (静電引力によるもの) があり、原子核は振動しますが、外殻 (場合によってはそれに続く内殻の一部) は自由に動くことができます。電子です。しかし、これらの電子は、気体や液体の分子が動くのと同じように動き、自由で隣の分子の影響を受けません.
金属中の電子のこの振る舞いにより、金属は熱と電気を容易に伝導することができます。ほとんどの物質よりもはるかに簡単です (ただし、科学者はアルミニウム、ニオブ、二ホウ化マグネシウムなどの超伝導体をいくつか開発しました)。
伝導とは、金属シートに電位電圧を印加した結果であり、充電電流の定義方法に応じて、電荷が同じ方向または反対方向に流れます (化学者は電子を好みますが、物理学者やエンジニアは、電子を使用して穴を残します。これは、潮流計算を行う場合にのみ意味をなす微妙な違いです)。自由電子の動きは、熱伝導も説明します。
このように、金属伝導は、金属内の自由でランダムな電子の流れであり、熱と電流の流れを可能にするように方向付けることができます。熱は常に高温の領域から下向きに流れますが、電流は電位の高い領域から下向きに流れます。
金属伝導のメカニズム
金属原子の価電子は自由に動くことができます。したがって、金属には多数の自由電子が含まれており、原子から原子へとあらゆる方向にランダムに移動します。金属導体に電界が印加されていない場合、自由電子は導体と熱平衡状態にあり、表面をランダムに移動します。
したがって、一方向の電子の平均速度はゼロです。この動きは、導体のどの部分でも正味の電荷移動を構成しないため、導体には電流が流れません。
電池を導体に接続して電界をかけると、各電子は静電力の影響を受けます。電子は電界の反対方向に加速されます。その後、電子は速度と運動エネルギーを獲得します。ただし、これらの電子は、金属の格子点で原子 (またはイオン) と衝突します。
衝突すると、電子は原子にエネルギーを放出し、原子の速度を低下させます。しかし、電子は電気と原子との衝突により再び加速されます。これらの衝突により、電子の平均加速度がゼロに減少するため、電子は電界の反対方向にある一定の平均速度を達成します。この速度はドリフト速度と呼ばれ、導体に電流を流す役割を果たします。したがって、電界の作用下で導体内の自由電子によって得られる平均速度は、ドリフト速度と呼ばれます。
最高の熱伝導体はどの金属ですか?
金属が熱を伝導する能力は、熱伝導率によって測定されます。この特性は金属の種類によって異なり、高い動作温度が一般的なアプリケーションでは考慮することが重要です。純粋な金属では、温度が上昇しても熱伝導率はほぼ同じままです。ただし、合金では、熱伝導率は温度とともに増加します。熱伝導率が最も高い金属は銅とアルミニウムで、鋼と青銅は最も低いです。特定の用途向けに金属を選択する際、熱伝導率は非常に重要な属性です。銅は優れた熱伝導体であるため、熱交換器、ラジエーター、さらには鍋の底にも適しています。鋼は熱伝導率が低いため、航空機エンジンなどの高温環境に適しています。
結論
電子の流れによって電気を伝導する金属は、金属導体と呼ばれます。それは単に物理的な変化に関するものであり、温度が上昇すると導電率が低下します。
アルミニウムや銅などの金属の荷電粒子の動きは電子と呼ばれますが、他の金属ではイオンやその他の正電荷が存在する場合があります。
例: 銅、銀、アルミニウム、金、およびスチールは、最も一般的な導電性金属の一部です。もちろん、シルバーとゴールドは動作に効果的ですが、高価です。したがって、最も一般的な金属導体は銅です。金属導体に影響を与える要因は、物質の特性と構造、原子あたりの価電子、物質の密度です。
