電気導体

物理学および電気工学において、導体とは、電荷（電流）を一方向以上で流すことができる物体または材料の一種です。金属製の材料は一般的な電気導体です。負に帯電した電子の流れによって、電流、正に帯電した正孔、場合によっては 正イオンまたは負イオンが発生します。

閉じた電気回路内で電流が流れるためには、1 つの荷電粒子が電流を生成するコンポーネント (電流源) から電流を消費するコンポーネント (負荷) まで移動する必要はありません。代わりに、荷電粒子は隣接する粒子を一定量だけ押し、その隣接する粒子もさらに隣接する粒子を押し、これを繰り返して、粒子が消費者に押し込まれて電力が供給されるまで続けます。基本的に、移動可能な電荷キャリア間での長い運動量移動の連鎖が起こっています。伝導のDrude モデルでは、このプロセスがより厳密に説明されています。この運動量移動モデルにより、金属は導体として理想的な選択肢となります。金属は、特徴的に、非局在化した電子の海を持ち、電子が衝突して運動量移動に影響を与えるのに十分な可動性を与えます。

上で述べたように、電子は金属の主な動力源です。しかし、電池の陽イオン電解質や燃料電池の陽子伝導体の可動陽子などの他のデバイスは、正電荷キャリアに依存しています。絶縁体は、可動電荷が少なく、わずかな電流しか流さない非伝導性材料です。

導体の抵抗は、導体の材質と寸法によって決まります。特定の材質では、抵抗は断面積に反比例します。^[1]たとえば、太い銅線は、それ以外は同じ細い銅線よりも抵抗が低くなります。また、特定の材質では、抵抗は長さに比例します。たとえば、長い銅線は、それ以外は同じ短い銅線よりも抵抗が高くなります。したがって、均一な断面積の導体の抵抗RとコンダクタンスG は、次のように計算できます。^[1]

${\displaystyle {\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned}}}$

ここで、 は導体の長さでメートル[ m]、Aは導体の断面積で平方メートル[m ² ]、 σ (シグマ) は電気伝導率でジーメンス毎メートル (S·m ⁻¹ )、 ρ (ロー) は材料の電気抵抗率(比電気抵抗とも呼ばれる) でオームメートル (Ω·m) で測定されます。抵抗率と導電率は比例定数であるため、電線の材質のみによって決まり、電線の形状には依存しません。抵抗率と導電率は逆数です。抵抗率は、電流に抵抗する材料の能力の尺度です。 ${\displaystyle \ell }$${\displaystyle \rho =1/\sigma }$

この式は正確ではありません。導体内の電流密度が完全に均一であると仮定していますが、実際の状況では必ずしもそうではありません。ただし、この式はワイヤなどの細長い導体に対しては良好な近似値を提供します。

この式が正確ではないもう一つの状況は交流（AC）の場合です。これは表皮効果により導体の中心付近の電流の流れが妨げられるためです。すると幾何学的断面積が実際に電流が流れる有効断面積と異なるため、抵抗は予想よりも高くなります。同様に、2 本の導体が互いに近くで交流電流を流している場合、近接効果により抵抗が増加します。商用電力周波数では、これらの効果は変電所の母線や数百アンペアを超える電流を流す大型電力ケーブルなど、大電流を流す大型導体では顕著になります。 ^[2]

電線の形状とは別に、温度も導体の効率に大きな影響を与えます。温度は主に 2 つの方法で導体に影響を及ぼします。1 つ目は、材料が熱を加えると膨張する可能性があることです。材料が膨張する量は、材料固有の熱膨張係数によって決まります。このような膨張 (または収縮) により、導体の形状が変わり、その結果、特性抵抗も変わります。ただし、この影響は一般に小さく、10 ⁻⁶程度です。温度が上昇すると、材料内で生成されるフォノンの数も増加します。フォノンは基本的に格子振動、つまり材料の原子の小​​さな調和運動です。ピンボール マシンの振動と同様に、フォノンは電子の進路を乱し、電子を散乱させます。この電子の散乱により、電子の衝突回数が減り、伝達される電流の総量が減ります。

伝導材料には、金属、電解質、超伝導体、半導体、プラズマ、およびグラファイトや導電性ポリマーなどの一部の非金属伝導体が含まれます。

銅は高い導電性を持っています。焼鈍銅は他のすべての電気導体と比較される国際標準です。国際焼鈍銅標準の導電性は58 MS/mですが、超純銅は101% IACSをわずかに超えることもあります。建物用電線、モーター巻線、ケーブル、バスバーなどの電気用途に使用される主な銅グレードは、電解タフピッチ（ETP）銅（CW004AまたはASTM指定C100140）です。高伝導率銅を溶接またはろう付けしたり、還元雰囲気で使用したりする必要がある場合は、無酸素高伝導率銅（CW008AまたはASTM指定C10100）を使用できます。^[3]はんだ付けやクランプによる接続が容易なため、銅は今でもほとんどの薄型電線で最も一般的な選択肢です。

銀は銅よりも6%導電性が高いが、コストが高いため、ほとんどの場合実用的ではない。しかし、衛星などの特殊な機器や、高周波での表皮効果による損失を軽減するための薄いメッキとして使用されている。有名な話だが、第二次世界大戦中、銅が戦時中に不足したため、米国財務省から貸与された14,700ショートトン（13,300トン）の銀がカルトロン磁石の製造に使用された。 ^[4]

アルミニウム線は、電力の送配電で最も一般的な金属です。断面積あたりの導電率は銅の 61% しかありませんが、密度が低いため、質量あたりの導電率は銅の 2 倍です。アルミニウムは重量あたりのコストが銅の約 3 分の 1 であるため、大きな導体が必要な場合、経済的な利点は大きくなります。

アルミニウム配線の欠点は、その機械的および化学的特性にあります。アルミニウム配線は容易に絶縁酸化物を形成し、接続部が熱くなります。コネクタに使用される真鍮素材よりも熱膨張率が大きいため、接続部が緩みます。アルミニウムは「クリープ」する可能性があり、負荷がかかるとゆっくりと変形するため、これも接続部を緩めます。これらの影響は、適切に設計されたコネクタと設置時の細心の注意で軽減できますが、サービスドロップを超えるとアルミニウムの建物配線は人気がなくなります。

8 個の炭素原子と 18 個の水素原子を持つオクタンなどの有機化合物は、電気を通しません。油は炭化水素です。炭素は四価結合の性質を持ち、電子を失ったり得たりしないため、水素などの他の元素と共有結合を形成し、イオンを形成しません。共有結合は、単に電子を共有することです。したがって、電気を流してもイオンは分離しません。共有結合のみを持つ化合物でできた液体は、電気を通しません。対照的に、特定の有機イオン液体は電流を通すことができます。

純水は電気伝導体ではありませんが、塩などのイオン不純物が少量でも含まれると、急速に電気伝導体に変化します。

電線は断面積で測定されます。多くの国では、サイズは平方​​ミリメートルで表されます。北米では、導体は小さいものはアメリカン ワイヤ ゲージで測定され、大きいものはサーキュラー ミルで測定されます。

導体の電流容量、つまり導体が流せる電流量は、その電気抵抗と関係があります。抵抗の低い導体は、より大きな電流値を流すことができます。抵抗は、導体の材質 (前述のとおり) と導体のサイズによって決まります。特定の材質の場合、断面積が大きい導体は、断面積が小さい導体よりも抵抗が低くなります。

裸の導体の場合、究極の限界は、抵抗によって失われた電力によって導体が溶ける点です。ただし、ヒューズは別として、現実世界のほとんどの導体はこの限界よりはるかに低い温度で動作します。たとえば、家庭用配線は通常、約 60 °C までしか動作しないPVC絶縁材で絶縁されているため、そのような配線の電流は、銅導体が 60 °C を超えて火災の危険を引き起こすことがないように制限する必要があります。テフロンやグラスファイバーなどのより高価な絶縁材を使用すると、はるかに高い温度で動作できる場合があります。

物質に電界が印加され、その結果生じる誘導電流が同じ方向である場合、その物質は等方性電気導体であると言われます。結果として生じる電流が印加電界と異なる方向である場合、その物質は異方性電気導体であると言われます。

• ウィリアム・ヘンリー・プリース。電気導体について。1883年。
• オリバー・ヘヴィサイド。電気論文。マクミラン、1894年。

• ASTM 規格年次書: 電気導体。米国材料試験協会 (毎年)
• IET 配線規則。工学技術協会。 wiringregulations.net 2021-04-02 にWayback Machineでアーカイブ

• BBC: キーステージ 2 ビットサイズ: 電気導体
• グレイ、デュファイ、フランクリンによる導体と絶縁体の発見。

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