抵抗率と導電率：定義、原因、式と単位（チャート付き）

抵抗率と導電率は同じコインの両面ですが、どちらも電子機器について学ぶときに理解するための重要な概念です。 これらは本質的に、同じ基本的な物理的特性を説明する2つの異なる方法です。つまり、電流が材料をどれだけうまく流れるかです。

電気抵抗率は、電流の流れにどれだけ抵抗するかを示す材料の特性であり、導電率は、電流がどれだけ流れやすいかを定量化します。 これらは非常に密接に関連しており、電気伝導率は抵抗率の逆数ですが、両方を詳細に理解することは、電子工学の物理学の問題に取り組むために重要です。

材料の抵抗率は、導体の電気抵抗を決定する重要な要素であり、 異なる特性の異なる特性を考慮に入れた抵抗方程式の一部 材料。

電気抵抗自体は、簡単な例えで理解できます。 ワイヤーを通る電子（電流のキャリア）の流れが次のように表されると想像してください。 ランプを流れるビー玉：障害物をパスに配置すると抵抗が発生します ランプ。 ビー玉が障壁にぶつかると、障害物へのエネルギーの一部が失われ、ランプを下るビー玉の全体的な流れが遅くなります。

電流の流れが抵抗によってどのように影響を受けるかを理解するのに役立つもう1つの例えは、パドルホイールを通過することが水の流れの速度に与える影響です。 この場合も、エネルギーは外輪に伝達され、その結果、水はゆっくりと移動します。

導体を流れる電流の現実は、電子がを流れるため、大理石の例に近くなります。 材料ですが、原子核の格子状の構造はこの流れの障害物であり、電子を遅くします ダウン。

導体の電気抵抗は次のように定義されます。

どこρ（rho）は、材料の抵抗率（組成によって異なります）、長さです。L指揮者の長さはAは材料の断面積（平方メートル単位）です。 この式は、導体が長いほど電気抵抗が高く、断面積が大きいほど抵抗が低いことを示しています。

抵抗のSI単位はオーム（Ω）です。ここで、1Ω= 1 kg m² s⁻³ A⁻²、および抵抗率のSI単位は、オームメーター（Ωm）です。 材料が異なれば抵抗率も異なり、計算で使用している材料の抵抗率の値を表で調べることができます（「参考文献」を参照）。

電気伝導率は単に抵抗率の逆数として定義されるため、抵抗率が高いと導電率が低くなり、抵抗率が低いと導電率が高くなります。 数学的には、材料の導電率は次のように表されます。

どこσ導電率とρ前と同じように、は抵抗率です。 もちろん、前のセクションの抵抗の式を再配置して、これを抵抗の観点から表すことができます。R、 断面積A導体の長さと長さL、あなたが取り組んでいる問題が何を求めているかに応じて。

導電率のSI単位は、抵抗率の単位の逆数であり、Ωになります。⁻¹ m⁻¹; ただし、通常はシーメンス/メートル（S / m）として引用されます。ここで、1 S =1Ωです。⁻¹.

電気抵抗率と導電率の定義を念頭に置いて、計算例を見ると、これまでに紹介したアイデアを固めるのに役立ちます。 銅線の長さの場合、長さL= 0.1mおよび断面積A​ = 5.31 × 10⁻⁶ m² との抵抗R​ = 3.16 × 10⁻⁴ Ω、抵抗率は何ですかρ銅の？ まず、抵抗率の式を取得するために、抵抗の式を再配置する必要がありますρ、 次のように：

これで、値を挿入して結果を見つけることができます。

このことから、銅線の電気伝導率はどのくらいですか？ もちろん、これはあなたが今見つけたものに基づいて解決するのは非常に簡単です。なぜなら導電率（σ）は抵抗率の逆数です。 したがって、導電率は次のとおりです。

非常に低い抵抗率と高い導電率は、このような銅線がおそらくあなたの家で電気を供給するために使用されている理由を説明しています。

さまざまな材料の抵抗率の表にある値はすべて、特定の値になります ほとんどの場合、抵抗率は温度の上昇とともに増加するため、温度（通常は室温として選択されます） 材料。

一部の材料（シリコンなどの半導体など）では、抵抗率は温度の上昇とともに低下しますが、一般的には温度の上昇とともに増加します。 これは、大理石の例えに戻ると簡単に理解できます。障壁が振動している（増加した結果として） 温度、したがって内部エネルギー）、完全に静止している場合よりもビー玉をブロックする可能性が高くなります 全体を通して。

温度での抵抗率T関係によって与えられます：

ここでアルファ（α）は抵抗率の温度係数です。Tは、抵抗率を計算している温度です。T​₀ は基準温度（通常は293 K、ほぼ室温と見なされます）であり、ρ​₀ は基準温度での抵抗率です。 この式のすべての温度はケルビン（K）で表され、温度係数のSI単位は1 / Kです。 抵抗率の温度係数は、一般に抵抗の温度係数と同じ値であり、10のオーダーになる傾向があります。⁻³ 以下。

さまざまな材料の温度依存性を計算する必要がある場合は、単に調べる必要があります。 適切な温度係数の値を入力し、参照温度を使用して方程式を処理しますT​₀ = 293 K（抵抗率の基準値に使用される温度と一致する場合）。

方程式の形式から、これは常に温度の上昇に対する抵抗率の増加であることがわかります。 次の表には、さまざまな材料の電気抵抗率、導電率、および温度係数に関するいくつかの重要なデータが含まれています。

リスト内の絶縁体は、温度係数の値を確立していませんが、抵抗率と導電率の値の全範囲を示すために含まれていることに注意してください。

温度が上がると抵抗率が上がるという理論は理にかなっていますが、一見の価値があります。 温度の上昇が導電率と抵抗率に与える影響を強調するための計算 材料。 計算例として、293Kから343Kに加熱したときにニッケルの抵抗率と導電率がどうなるかを考えてみましょう。 方程式をもう一度見てみましょう。

新しい抵抗率を計算するために必要な値が上の表にあることがわかります。ここで、抵抗率はρ​₀ = 6.99 × 10⁻⁸ Ωm、および温度係数α= 0.006. これらの値を上記の式に挿入すると、新しい抵抗率を簡単に計算できます。

計算によると、50 Kのかなり大幅な温度上昇は、30％にすぎません。 抵抗率の値の増加、それによって与えられた量の抵抗の30パーセントの増加 材料。 もちろん、この結果に基づいて、導電率の新しい値を計算することもできます。

抵抗率と導電率に対する温度上昇の影響は、 温度係数。値が大きいほど温度の変化が大きく、値が小さいほど温度の変化が少ないことを意味します。 おつり。

オランダの物理学者HeikeKamerlingh Onnesは、さまざまな材料の特性を調査していました 1911年に非常に低い温度で、4.2 K（つまり、-268.95°C）未満で水銀が 完全に負ける電流の流れに対する抵抗なので、抵抗率はゼロになります。

この結果（および抵抗率と導電率の関係）、それらの導電率は無限大になり、エネルギーを失うことなく無期限に電流を流すことができます。 後に科学者たちは、特定の「臨界温度」以下に冷却されると、さらに多くの元素がこの挙動を示し、「超伝導体」と呼ばれることを発見しました。

長い間、物理学は超伝導体の本当の説明を提供しませんでしたが、1957年に、ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・シュリーファーは超伝導の「BCS」理論を開発しました。 これは、ポジティブとの相互作用の結果として、材料グループ内の電子が「クーパー対」になることを前提としています イオンは材料の格子構造を構成し、これらのペアは障害なく材料内を移動できます。

電子が冷却された材料を通って移動すると、格子を形成する陽イオンがそれらに引き付けられ、それらの位置がわずかに変化します。 ただし、この動きにより、材料に正に帯電した領域が作成され、別の電子が引き付けられ、プロセスが再開されます。

超伝導体は、抵抗なしで電流を流す能力に多くの可能性とすでに実現された用途を負っています。 最も一般的な用途の1つであり、最もよく知っている用途の1つは、医療現場での磁気共鳴画像法（MRI）です。

ただし、超伝導は磁気浮上を介して機能し、列車と線路の間の摩擦を取り除くことを目的としたリニアモーターカーのようなものにも使用されます –そしてCERNの大型ハドロン衝突型加速器のような粒子加速器では、超伝導磁石を使用して、の速度に近い速度で粒子を加速します。 光。 将来的には、超伝導体を使用して、発電の効率を改善し、コンピューターの速度を改善する可能性があります。