銅はなぜ電気の良導体なのでしょうか?

電線は主に銅でできていることにお気づきですか? これは、銅が優れた導電性を持っているためです。銅は電気を通すことができます。そのため、銅線は小規模でも大規模でも使用されています。しかし、疑問は、なぜ銅が電気の優れた伝導体なのかということです。

 

銅はなぜ電気を通し、優れた選択肢となるのでしょうか? 真鍮やアルミニウムなど、電線を作るための他の選択肢もあります。しかし、銅は常にあらゆる場合に好まれます。なぜでしょうか? この記事では、銅の電気伝導性の背後にあるロジックを説明します。銅が他のものよりも好まれる理由がわかります。それでは始めましょう!

 

銅はなぜ電気の良導体なのでしょうか?

 

銅の電気伝導率が高い理由は、自由電子にあります。銅には、1 つの価電子殻電子があります。さらに、銅の原子核と価電子殻電子の間の引力は非常に小さいです。そのため、この電子は弱く結合しており、自由に移動できます。その結果、電子が移動して電気が流れます。

 

すべての原子は、異なる数の電子で構成されています。これらの電子はそれぞれの殻に存在します。これらの殻にはそれぞれ固有の制限があります。銅には全電子のうち 29 個が含まれています。殻内のこれらの電子の分布は次のとおりです。

 

第 1 殻 (K 殻) = 電子 2 個

第 2 殻 (L 殻) = 電子 8 個

第 3 殻 (M 殻) = 電子 18 個

第 4 殻 (N 殻) = 電子 1 個

 

ご覧の通り、第4殻には電子が1つしかありません。この最外殻にある電子を価電子といいます。第1殻は原子核に近いです。上に行くほど原子核から離れて行きます。銅原子の場合、第4殻は原子核から最も遠いです。一般的に、原子核は電子を引き付けます。

 

しかし、原子核と第4殻の間の距離により、価電子を強く引き付けることができません。その結果、1つの価電子が何の妨げもなく自由に動きます。電場が加えられると、この価電子が動き、銅を電気が通過できるようになります。さらに、銅は抵抗が低いことも利点です。

 

要点: 1 つの電子が移動すると、別の電子と衝突します。この衝突により、2 番目の電子が移動します。これは、電界または電圧が適用されるときに連鎖的に発生します。その結果、電気は端から端まで簡単に流れます。価電子の移動により、この電子移動の連鎖が発生します。

 

銅の電気伝導性に影響を与える要因

銅は一般的に電気抵抗が非常に低いですよね？このため、銅の材料では電流がスムーズに流れます。しかし、いくつかの要因によって抵抗が増大し、銅の電気伝導性に影響を及ぼします。これらの要因のそれぞれについて、銅の電気伝導性にどのような影響を与えるか説明しましょう。

 

1- 温度

 

温度が上昇すると、銅の電気伝導性が低下します。なぜでしょうか? 温度が上昇すると、電子間の振動が増加するためです。この振動により、電子間の衝突が発生します。その結果、電子はランダムな方向に移動します。この電子のランダムな動きにより、電気の流れに対する抵抗が増加します。

 

逆に、温度が下がると電子は安定します。抵抗を増やすような電子のランダムな動きはありません。そのため、電気は簡単に通過できます。電子場を適用したときにも電子の衝突が起こると言えるかもしれません。その通りですが、その衝突はランダムではなく、より組織化されています。

 

要点: 印加電圧により価電子が移動すると、別の電子に次々に衝突します。この連鎖は、制御されていない衝突ではなく、より組織化されています。過冷却銅線 (-273.15°C または 0 K) は、通常、抵抗がゼロで、理想的な電気伝導性を備えています。

 

2- 不純物と合金元素

 

銅に含まれる不純物は、電気伝導性に悪影響を及ぼす可能性があります。さらに、銅には合金元素が混ざっていることもあります。これらの元素も導電性を低下させる可能性があります。純粋な銅は抵抗が低いですが、不純物があるとこの抵抗が増加します。

 

つまり、電気は通過できますが、抵抗を克服するためにエネルギーが失われます。その結果、スムーズで効率的な電気伝導性が低下します。たとえば、ニッケルやヒ素などの不純物は銅の電気伝導性を低下させます。さらに、合金元素の特性も重要です。合金元素が電気を伝導する場合、銅の伝導性は低下しません。逆もまた同様です。

 

3- 機械的ストレスと変形

 

銅にストレスがかかると、その電気伝導性は変化し、低下します。これは、ストレスによって原子の原子構造が乱れるためです。たとえば、銅の素材があり、それを強く叩くと、銅は変形します。

 

原子構造が乱れ、電子の向きが変わります。そのため、電場をかけると価電子は動きますが、他の電子の動きを効果的に誘導することができません。その結果、電気がスムーズに流れなくなります。

 

銀やアルミニウムと比較した銅の電気伝導率

一般的に、電化製品には銀、銅、アルミニウムが使われています。しかし、電線に使用するのに理想的な導電性を持つのはどれでしょうか。考えてみましょう。

 

この3つの中で、銀はトップです。銀は電気が何の障害もなくスムーズに流れるため、優れた導電性を持っています。銀の抵抗率は1.59 × 10⁻⁸ Ω·mで、電線に最適です。しかし、銀は電線の製造には使用されていません。なぜでしょうか。銀は高級素材で非常に高価だからです。コストが高いため、ケーブルに使用するのは実用的ではありません。

 

2番目は銅です。銅の抵抗率は1.68 × 10⁻⁸ Ω·mです。この素材は、電線やその他の電化製品の製造に広く使用されています。なぜでしょうか。手頃な価格だからです。銅製の電線はコスト効率が良く、理想的な導電性を備えています。アルミニウムは、1.68 × 10⁻⁸ Ω·m と、より高い抵抗率で 3 位にあります。

 

興味深いことに、銅とアルミニウムはどちらも価電子が 1 つあります。アルミニウムの電気伝導性は銅に比べて劣っています。その理由は、アルミニウムには合計 13 個の電子があるためです。アルミニウムの価電子殻は、原子核に比較的近いです。反対に、銅には 29 個の電子があり、4 つの殻を使用します。3 つの価電子は原子核から遠く離れています。

 

アルミニウムの場合、距離が短いため、原子核は価電子を強く引き付けます。その結果、銅の価電子とは異なり、電子は自由に移動できません。このため、銅はより導電性が高く、電線に積極的に使用されています。アルミニウム電線も市場で入手できます。ただし、その電気性能は銅電線よりも効率が低くなります。

 

銅の高い電気伝導性は CNC 加工にどのような影響を与えるのでしょうか?

 銅の電気伝導率の高さは、CNC 加工に直接影響するわけではありません。ただし、加工中に間接的にいくつかの利点をもたらします。

 

銅には自由に移動する電子があります。銅は電気伝導性と熱伝導性の両方に役立ちます。この素材は熱伝導性が高いため、熱を素早く放散できます。CNC マシンでは、切削工具が切削中に熱を発生します。銅素材はその熱を効率的に放散し、過熱の問題を回避します。

 

銅が熱を放散しない場合、CNC 加工には時間がかかります。ゆっくりと切断し、熱が放散する時間を与える必要があります。ただし、電気伝導性は銅の CNC 加工に直接影響しません。

 

よくある質問

 

銅は最も優れた電気伝導体ですか?

銀は銅よりも電気伝導性が高いですが、高価で電化製品には使用されていません。銀に次いで、銅は最も電気伝導性が高く、電線として実用的な選択肢です。手頃な価格で、どこでも読みやすい素材です。

 

アルミニウム配線と銅配線の違いは何ですか?

銅線はアルミニウムより優れていると考えられています。アルミニウムは銅に比べて電気伝導体が少なく、さらに電気の流れに対する抵抗が大きくなります。アルミニウム線は現在でも使用されていますが、電気を効率的に運ぶためにサイズが大きくなっています。

 

銅線はなぜ電気に適しているのでしょうか?

銅の価電子殻には自由に動く電子があります。この電子は電気を容易に通過できるため、銅は導電性があります。銅素材は抵抗も非常に低いため、電気には銅線が​​好まれます。

 

結論

 

銅は、さまざまな業界で使用されている非常に人気のある素材です。製造業者は、CNC マシンを使用して銅を切断し、成形してさまざまな製品を製造します。銅の最も一般的な用途の 1 つは、ワイヤや電気部品の作成です。銅はワイヤの製造に使用されるため、導電性があります。しかし、銅がなぜ、どのように電気を伝導するのかを知らない人は多くいます。

 

この記事では、銅の電気伝導性の背後にあるロジックについて説明しました。また、アルミニウムや銀などの他の材料との比較についても説明します。簡単に言うと、銅には原子核に弱く結合した自由価電子があります。電子が自由に動くことで電気が通ります。この記事が銅材料の電気伝導性の背後にあるロジックを理解するのに役立つことを願っています。