導体と絶縁体：それらは何であり、なぜそれらは重要ですか？ （チャート付き）

電気回路を理解し、人間が家の照明から電車まですべてに電力を供給する方法を理解するために（そして、 時間が経つにつれて、電気自動車）が機能するようになります。まず、電流とは何か、電流を許容するものを理解する必要があります。 フロー。

電流は、非常に小さな負電荷を運ぶほぼ質量のない亜原子粒子である電子の移動の結果です。 「ジュース」（電気はよく呼ばれる）が電力線やテレビを「流れる」と聞くとき、これは回路内の線を通る電子の流れを指します。 金属線は比較的低いため、電気を運ぶために特別に選択されています電気抵抗​.

電子は、太陽を遠方から周回する彗星のように、原子核の外側に存在するため、電流の媒体として機能することができます。 陽子と中性子は「生きて」おり、どちらの核粒子よりもかなり軽い（そして陽子と中性子はそれ自体がひどく軽い） 正しい）。

異なる元素の原子は、質量、粒子の数、その他の固有の方法、および独自の方法が異なります。 各原子の構成は、それが良い導体であるか、悪い導体（つまり、絶縁体）であるか、または何かであるかを決定します 間に。

電流（私で測定アンペアまたはA）の流れです電荷（によって示されるqで測定クーロンまたはC）銅線などの導電性媒体を介した電子の形。 電子はの影響で移動します電位（電圧）差ワイヤーに沿ったポイント間で、抵抗（に代表されるRで測定オームまたはΩ）。

• この物理学のすべてはによってきちんと捕らえられますオームの法則​:

慣例により、正の端子または電荷の近くに配置された正の電荷は、他のすべて同じである、より遠い点よりも高い電位を持ちます。 電圧の単位は、1クーロンあたりのジュール、つまりJ / Cで、これは1回の充電あたりのエネルギーです。 電荷に対する電圧の影響は質量に対する重力の影響と類似しているため、これは理にかなっています。

任意の点をゼロ電圧または重力ポテンシャルエネルギー点として選択できますが、特定の質量は常に重力を失います 位置エネルギーは地球の中心に近づくにつれて移動し、正電荷は常に電位エネルギーを失います（ 書かれたqE）ソースの正電荷から遠ざかるにつれて。

あなたが提示されたものを考えると、あなたはすでに電子が反対方向に流れることに気づいたかもしれません 正電荷、したがってそれらは電流要素として流れる過程で電位を失うこと。

これは、ピアノが空から落ちて、地球に近づくにつれて重力ポテンシャルエネルギーを失うことに似ています。 （運動エネルギーの増加という形で保存されるエネルギー）および空気による摩擦（熱）エネルギー損失 抵抗。

ワイヤー内で電流が増加することを想像すると、特定のポイントを通過する電子の数も増加し、同じことが電流に適用されることを想像してください。

• 単一の電子の電荷は-1.60 × 10^-19 C、陽子のそれは+ 1.60×10ですが^-19 C。 これは、（1/1.60×10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ （6千億）陽子はちょうど1.0Cの電荷を構成します。

電子が材料内をどれだけ簡単に移動できるかは、その材料の導電率. 通常σ（ギリシャ文字のシグマ）で表される導電率は、物質の特定の固有の特性に依存する物質の特性であり、その一部は以前に触れられています。

最も重要なのは自由電子、または原子核から遠く離れて自由に「歩き回る」ことができる原子に属する電子。 （原子の用語で「遠い」とは、通常の基準では依然として信じられないほど短い距離を意味することに注意してください。）任意の原子の最も外側の電子は価電子、そして銅のようにそれらの1つだけがたまたまあるとき、電子の「自由」のための理想的な状況が確立されます。

優れた電気伝導体は、電流が実質的に妨げられることなく流れることを可能にしますが、スペクトルの反対側では、優れた絶縁体がこの流れに抵抗します。 ほとんどの日常の非金属材料は優れた絶縁体です。 そうでない場合は、一般的な物体に触れた後、継続的に感電する可能性があります。

特定の材料がどれだけうまく伝導するかは、その組成と分子構造によって異なります。 一般に、金属線は、外側の電子が関連する原子との結合が弱く、自由に動くことができるため、比較的簡単に電気を通します。 リソースにあるような元素の周期表を参照することで、どの材料が金属であるかを特定できます。

• コンクリートは、金属よりもはるかに導電性の低い物質ですが、それでもバランスの取れた導体と見なされます。 世界の都市のかなりの部分にコンクリートが含まれていることを考えると、これは重要です！

• 「ステートメントを検討してくださいほとんどの導電性材料は、異なる温度で異なる抵抗を持っています。 "これは本当ですか、それとも間違っていますか？ あなたの答えを説明しなさい。

日常生活には導電性材料よりも絶縁性材料の方が多いので、それは理にかなっています 日常から重大なレベルの危険を単に取り除くための断熱材の厳格な要件 プロセス。 ゴム、木、プラスチックはどちらも至る所にあり、非常に有用な絶縁体です。 事実上、誰もが延長コードの周りの特徴的なオレンジ色のチューブを認識することを学びます。

電化製品と水を混合することの既知の危険性を考えると、純粋な水が絶縁体であることを知ってほとんどの人を驚かせます。 実際に水素と酸素で構成され、不純物が含まれていない水はまれであり、実験室での蒸留によってのみ達成できます。 日常の水には、「通常の」水が事実上の導体になるのに十分な数のイオン（荷電分子）が含まれていることがよくあります。

ご想像のとおり、絶縁体には、金属の場合よりもはるかに緊密に原子核に結合した価電子を持つ元素を含む材料が含まれています。

​抵抗率電子の流れに対する材料の抵抗の尺度です。 オーム-m（Ωm）で測定され、それは導電率の概念的な反対で数学的な逆です。 通常はρ（rho）で表されるため、ρ= 1 /σです。 抵抗率は抵抗率とは異なることに注意してください。抵抗率は、既知の抵抗値を持つ回路内の抵抗器の配置を物理的に操作することによって決定されます（または決定できます）。

ワイヤの抵抗率と抵抗率は、次の式で関連付けられます。

どこRとρは抵抗と抵抗率であり、LそしてAワイヤーの長さと断面積です。 絶縁体の抵抗値は10程度です¹⁶ Ωm、金属は10の範囲でチェックインします^-8Ωm。 室温では、すべての材料にある程度の抵抗がありますが、導体の抵抗はわずかです。

• ほとんどの材料の抵抗は温度に依存します。 多くの場合、より低い温度では、抵抗が減少します。

特定の材料は、十分に低い温度で抵抗が0の状態を達成します。 これらは呼ばれます超伝導体. 残念ながら、超電導に必要な温度を達成することは、次の場合、ほとんど計り知れない世界的なエネルギー節約につながります。 それは既存の技術に世界中に広まる可能性があります–実験室で21世紀初頭の時点で非常に低い達成可能です 設定。