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電気を通す能力に関して、材料は導電性、半導体、および絶縁性または誘電性材料に大別できます。その名前が示すように、導電体は、電位差に接続されたとき、または電界の作用を受けたときに電気を伝導できる任意の材料です。
電気を通す能力は、金属の特性です。実際、最良の導体の大部分は金属元素です。しかし、非常に特殊な炭素の同素体は、周期表全体で最も導電性の高い金属と競合することができます。
電気を通す材料の能力はどのように測定されますか?
電気を通す材料の能力は、電気伝導度によって測定されます。これは、単位長さと単位断面積の導体のコンダクタンスを表す物質の集中的な特性です。集中的な特性であるため、導体の寸法や形状には依存せず、導体の素材のみに依存します。このため、電気を通す能力に基づいて要素を比較したい場合は、導電率を比較すれば十分です。
材料の導電率に応じて、導体、半導体、絶縁体に分類できます。次の表は、各タイプの材料の導電率範囲を示しています。
| 素材の種類 | 典型的な導電率範囲 (S/m) |
| 運転者 | 10 2 – 10 8 |
| 半導体 | 10 -6 – 10 -4 |
| 絶縁 | 10 -19 – 10 -11 |
次の表は、電気を最もよく伝導する周期表の 50 元素の導電率の順序付きリストを示しています。これらの値は、体積、つまり巨視的な量での要素の導電率に対応します。
| エレメント | 化学記号 | 20°C (293K) における電気伝導率 (σ.m/S) | 素材の種類 |
| 銀 | 8月 | 6,30.10 7 | 運転者 |
| 銅 | クー | 5,96.10 7 | 運転者 |
| 金 | おお | 4,52.10 7 | 運転者 |
| アルミニウム | に | 3,77.10 7 | 運転者 |
| カルシウム | 交流 | 2.98.10 7 | 運転者 |
| ベリリウム | なれ | 2,81.10 7 | 運転者 |
| ロジウム | RH | 2,33.10 7 | 運転者 |
| マグネシウム | mg | 2,28.10 7 | 運転者 |
| イリジウム | 行く | 2.13.10 7 | 運転者 |
| ナトリウム | な | 2,10.10 7 | 運転者 |
| タングステン | W | 1,89.10 7 | 運転者 |
| モリブデン | モ | 1,87.10 7 | 運転者 |
| コバルト | コ | 1,79.10 7 | 運転者 |
| 亜鉛 | 亜鉛 | 1,69.10 7 | 運転者 |
| カドミウム | CD | 1,47.10 7 | 運転者 |
| ニッケル | ない | 1,44.10 7 | 運転者 |
| ルテニウム | ル | 1,41.10 7 | 運転者 |
| カリウム | k | 1,39.10 7 | 運転者 |
| インド人 | の | 1,25.10 7 | 運転者 |
| オスミウム | あなた | 1,23.10 7 | 運転者 |
| リチウム | リー | 1.08.10 7 | 運転者 |
| 鉄 | 信仰 | 1.04.10 7 | 運転者 |
| 白金 | ポイント | 9,52.10 6 | 運転者 |
| パラジウム | 追伸 | 9,49.10 6 | 運転者 |
| 錫 | スン | 8,70.10 6 | 運転者 |
| クロム | クロム | 8.00.10 6 | 運転者 |
| ルビジウム | rb | 7,81.10 6 | 運転者 |
| タンタル | タ | 7,63.10 6 | 運転者 |
| ストロンチウム | 氏 | 7,58.10 6 | 運転者 |
| ガリウム | ガ | 7,35.10 6 | 運転者 |
| トリウム | 番目 | 6,80.10 6 | 運転者 |
| タリウム | tl | 6,67.10 6 | 運転者 |
| ニオブ | Nb | 6,58.10 6 | 運転者 |
| レニウム | レ | 5,81.10 6 | 運転者 |
| プロタクチニウム | パ | 5,65.10 6 | 運転者 |
| バナジウム | Ⅴ | 5,08.10 6 | 運転者 |
| セシウム | cs | 4,88.10 6 | 運転者 |
| 鉛 | bp | 4,81.10 6 | 運転者 |
| イッテルビウム (290–300 K) | Yb | 4.00.10 6 | 運転者 |
| ウラン | また | 3,57.10 6 | 運転者 |
| ハフニウム | Hf | 3.02.10 6 | 運転者 |
| バリウム | バ | 3.01.10 6 | 運転者 |
| アンチモン | sb | 2,56.10 6 | 運転者 |
| チタン | あなた | 2,56.10 6 | 運転者 |
| ポロニウム | ポ | 2,50.10 6 | 運転者 |
| ジルコニウム | Zr | 2,38.10 6 | 運転者 |
| スカンジウム (290–300 K) | sc | 1,78.10 6 | 運転者 |
| ルテチウム (290–300 K) | ル | 1,72.10 6 | 運転者 |
| イットリウム (290–300 K) | と | 1,68.10 6 | 運転者 |
| ランタン (290–300K) | の | 1,63.10 6 | 運転者 |
ご覧のとおり、電気を最もよく伝導する元素は銀 (Ag) で、伝導率は 6.30.10 7 S/mです。これは、断面が 1 m 2 で長さが 1 m の純銀のブロックの導電率が 6.30.10 7ジーメンスまたは A/Vであることを意味します。これは、導体の 2 つの面の間に 1 V の一定の電位差を適用すると、6.30.10 7アンペアの電流が生成されることを意味します。
1 m 3の純銀ブロックを電気伝導体として使用することは一般的ではないため、このように表される導電率を視覚化することは困難です。代わりに、Sm/mm 2で導電率を表す方が便利です。これらの単位では、銀の導電率は 63.0 Sm/mm 2です。これは、長さ 1 m、断面積 1 mm 2 の銀導体に 1 V の電圧を印加すると、63.0 アンペアの電流が生成されることを意味します。
導電体としての銀、銅、金、アルミニウム
上の表のデータから簡単に計算すると、銀の導電率は銅より 5.7%、金より 39.4%、アルミニウムより 67.1% 高いことがわかります。ただし、これらの 3 つの元素は、銀よりも電気用途で頻繁に使用されます。実際、銀は電気を最もよく伝導する要素であるにもかかわらず、導電体として使用されることはめったにありません。
この背後にある理由は簡単です。1つには、銅は銀よりもはるかに安価な金属ですが、導電率はわずかに低くなります. このため、電子機器や建物の配線に銀よりも銅を使用する方がはるかに理にかなっています。導電率の増加は価格の大幅な増加を正当化するものではないからです。
これは、アルミニウムの場合にはさらに当てはまります。アルミニウムは、特に何キロにもわたる高圧線で、銅よりも頻繁に大量に使用されます。アルミニウムは銅よりもはるかに安価で製造が容易であり、軽量で耐腐食性にも優れています。銅導体と断面積が 2 倍のアルミニウム導体を比較すると、アルミニウム導体のコンダクタンスは銅導体の 2 倍以上であり (電気をよりよく伝導します)、価格はさらに低くなります (約 40%さらに、40% 軽量化されています。これらすべての特性により、アルミニウムは導電率で 4 番目にランク付けされていますが、多くの用途で銀や銅よりも適した導体になっています。
一方、金は銀よりもはるかに高価な貴金属であり、導電性が低く、はるかに密度が高く重いです。では、金が銀よりも導電体としてより頻繁に使用されるのはなぜでしょうか? その理由は、金の化学的性質に関係しています。金は貴金属であると同時に、貴金属でもあります。腐食に対して非常に耐性があります。これにより、コンピュータ機器、モバイル機器などのアプリケーションで電気接点を製造するのに最適な材料になります. 一方、銀は、空気と接触すると、表面原子の酸化により、表面に緑青を急速に獲得します。これにより導電率が低下し、このタイプの用途にはこの金属が不適切になります。
グラフェンは銀より優れた伝導体です
純粋な元素の導電率について言えば、他のすべての元素に勝る元素が 1 つありますが、不思議なことに、それは銀ではありません。カーボンについてです。しかし、私たちが話しているのは、私たちが自然に見つけることができるような炭素だけではなく、グラフェンと呼ばれる非常に特殊な形の炭素についてです.
グラフェンは、炭素の非常に特殊な同素体です。それは、1原子の厚さのsp 2混成炭素原子の六方格子です。これは、グラファイト同素体を構成する炭素原子の層の 1 つだけで構成されています。このタイプの材料は原子 1 個分の厚さしかないため、2 次元結晶と呼ばれ、既知の最高の電気伝導率など、独自の物理的特性を備えています。
一部の研究所では、グラフェンの導電率が 8.0.10 7 S/m程度であることが報告されており、これは銀の導電率よりも 27% 高く、グラフェン、したがって炭素が電気を最もよく伝導する元素となっています。
上記にもかかわらず、この導電率が元素の巨視的な体積ではなく材料のナノメートルのサンプルに対応するという事実は、この導電率を巨視的なサンプルの各元素について測定された他の金属の導電率と比較することは不適切かもしれません. この規模では、別の元素の新しい形がグラフェンよりも優れた伝導体であることが判明する可能性があります。このため、今のところ、金メダルは銀メダルに任せることができます。
参考文献
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