金属は自由電子を多く含んでいるため、熱と電気の優れた伝導体です。これらの自由電子は自由に動き回り、互いに衝突し、金属を通して熱と電気を伝播します。
金属には自由電子が過剰に含まれているという単純な理由から、熱と電気を伝導する材料の大半は金属です。
自由電子とは?
惑星が太陽系に生息するように、電子は実際には原子に生息しませんが、惑星が太陽の周りを回転するように、原子内の電子が原子核の周りを回転する太陽系モデルに基づく原子モデルは、より単純です。複雑または難解な量子力学的現象の素人による説明。
(写真提供:ウィキメディア・コモンズ)
負の電子を原子に結合するのは正の原子核であることは明らかであり、広く知られています。これが達成される力は、クーロン力と呼ばれます。しかし、力は距離とともに弱くなります。このモデルから、殻が増加するにつれて、それらを占有する電子を引っ張る力はますます弱くなり、明らかに、電子を最も外側に引っ張るとき、またはいわゆる価電子殻。
これらの電子は非常に弱く引っ張られるため、なんとか逃げ出し、原子から解放されます。したがって、それらは自由電子と呼ばれます。金属がその価電子を失う傾向がある原因は、その大きな原子サイズとそれ自体の価電子の不足です。塩素などの非金属は、7 つの価電子を持っています。これは、自然がその原子をより小さくし、原子核がそれらを保持しやすくすることを余儀なくされた特徴です。一方、金属の価電子は最大で 3 つです。自然界は、原子を小さくして電子を 3 つだけ保持できるほどには寛大ではありません。これは過剰なエネルギーを消費する必要があるためです。
各金属原子は 1 つまたは 2 つの自由電子を生成し、任意の金属のシートには少なくとも 10 億個の原子が含まれていることに注意してください。したがって、シートは完全に自由電子であふれており、シートを通過する熱と電気を伝播するのはこれらの自由電子です。
自由電子が電気と熱を伝播する仕組み
銅線をバッテリーに接続すると、プラス端子がマイナスの自由電子を引き寄せます。電界によって加えられる突然の力により、それらは混乱し、途方もない速度で互いに激しく衝突します。その結果生じるのはドミノ効果です:後ろの自由電子が衝突した自由電子は前方に推進され、その前の自由電子と衝突するだけです。キュー内の電子が回路に押し出されます。ただし、平均して、電子はドリフト速度と呼ばれる比較的小さな速度で前方に移動します。パノラマ的に見ると、自由電子の密集した川が正端子に向かって流れているのがわかります。電流とは電子の流れ以外に何ですか?
熱は、同様の方法で金属を介して媒介されます。熱エネルギー源は、運動エネルギー源に他なりません。材料に熱源を当てると、材料の原子に運動エネルギーが与えられます。この運動エネルギーにより、原子はその場所で激しく揺れます。熱が大きければ大きいほど、揺れの強さも大きくなります。
イオン化合物は、イオンがその位置で揺れると熱も伝導します。ただし、イオン性化合物は、高度に対称的な幾何学的配置または構造によって特徴付けられます。揺れますが、その動きはこの構造によって劇的に抑制されます。一方、純粋な金属は最高の導体です。なぜなら、原子は構造によって拘束されていますが、電子はそうではなく…自由だからです!電子は拘束されていないため、ソースが運動エネルギーを電子に与えると、無計画に動き始めます。次に、それらは隣接する電子に衝突し、それによって運動エネルギーを伝達します。衝突はドミノ効果をエミュレートし、熱は熱源に近い領域である高温領域から金属の遠端である低温領域に伝播します。
私が純粋な金属と言うのは、合金が熱と電気の伝導体としては比較的貧弱だからです。これは、合金が金属に異種原子を導入することによって形成されるためです。これにより凹凸が増え、自由電子の動きが妨げられます。自由電子が移動して互いに衝突することができないため、熱と電気が伝播しにくくなります。
ステンレス鋼は鉄とクロムの合金です。 (写真提供:Pixabay)
異種原子の導入は、導電率を低下させる一方で、強度などの金属の他の特性も改善するため、常に議論の的となっています。鉄は錆びますが、鉄とクロムの合金であるステンレス鋼は錆びません。金属の電気を伝導する能力と熱を伝導する能力の両方を担うのは自由電子であるため、電気の伝導を支配する法則が熱の伝導を支配する法則と非常に似ているのは偶然ではありません。 /P>
