電気伝導体

電気伝導体：電気の流れをスムーズにする材料

電気伝導体とは、電気を通しやすく、電気抵抗率が低い物質を指します。電気を流す能力を示す指標として電気伝導率があり、この値が高いほど電気を通しやすいことを意味します。金属、塩の水溶液、グラファイト、導電性高分子、プラズマなどが電気伝導体の例として挙げられます。

電気伝導率の比較と分類

物質の電気伝導率は大きく異なり、金属とセラミックを比較した場合、その差は20桁にも及びます。一般的には、グラファイト（電気伝導率10⁶ S/m）と同等以上の値を示すものを導体、10⁶ S/m以下のものを絶縁体、その中間を半導体として分類します。10⁶ S/mという値は、断面積1mm²、長さ1mの導体の抵抗が1Ωであることを示します。

代表的な電気伝導体：金属

最も一般的な電気伝導体は金属です。銅やアルミニウムなどの金属内部では、価電子が自由に移動できる状態にあるため、電位差（電圧）が生じると電子が移動し、電流が流れます。この電流の大きさは電圧に比例するという関係がオームの法則として知られています。

銅は電気抵抗が低く、加工性も良いため、電気配線に広く利用されています（銅線）。銀は銅よりも電気伝導率が高いですが、高価なため配線にはあまり使用されません。金は腐食しにくいことから、高品質の接続端子などに用いられます。

金属以外の電気伝導体

金属以外にも、グラファイト、塩の水溶液、プラズマ、導電性高分子など、様々な物質が電気伝導体として機能します。これらの物質は、それぞれ異なる特性を持つため、用途に応じて適切な材料を選択することが重要です。

電気抵抗と発熱

超伝導体以外の電気伝導体には電気抵抗があり、電流を流すとジュール熱として熱が発生します。この発熱は、導体の温度上昇や損傷につながるため、使用電流や周囲温度を考慮した設計が不可欠です。また、電流の流れる方向と直交する方向に電磁力が発生し、導体に機械的な力が作用します。これらの力に耐え、発熱による損傷を防ぐためには、適切な材質、断面積、冷却機構の設計が重要となります。特に、プリント基板のように導線が密集し、熱を逃がしにくい構造では、発熱対策が特に重要です。

電気伝導体として利用される材料

電気配線などに広く使用される銅は、高い電気伝導率が特徴です。銀はさらに高い伝導率を示しますが、コストの高さから一般的には銅が選択されます。ただし、人工衛星など特殊な用途では銀が使用されたり、高周波における損失を低減するために銀メッキが施されたりします。アルミニウムは銅よりも安価であり、単位質量当たりの導電率も高いですが、酸化による導電率低下、柔らかさによる接続不良、熱膨張率の違いによる接続部分の変形などの問題点があります。これらの欠点が問題にならない用途、例えば屋内配線や高圧送電線（鋼線との複合構造）などでは広く使用されています。

導線の電流容量

導線の電流容量（ampacity）とは、導線に流せる電流の限界です。これは導線の電気抵抗と密接に関連しており、抵抗が低いほど多くの電流を流せます。抵抗値は材料の種類と導線の断面積によって決まり、同じ材料であれば断面積が大きいほど抵抗は小さくなります。裸の導線の電流容量の限界は、電気抵抗による発熱で融点に達する点ですが、実際には絶縁材の耐熱温度などが考慮され、より低い電流容量で使用されます。

導線の寸法

導線の寸法は、断面積（平方ミリメートル）で表されるのが一般的ですが、アメリカ合衆国では米国ワイヤゲージ規格やサーキュラーミルが使われます。

等方性と異方性

電気伝導体の特性として、等方性と異方性が挙げられます。等方性電気伝導体では、印加された電場の方向と電流の方向が一致する一方、異方性電気伝導体では、電流の方向が電場の方向と異なる場合があります。

まとめ

電気伝導体は、電気を通しやすい物質であり、様々な材料がその役割を担っています。それぞれの材料の特性を理解し、用途に最適な材料を選択することで、安全かつ効率的な電気システムの構築が可能になります。使用する環境や条件によって適切な材料を選ぶことが重要です。

もう一度検索