今回のテーマは「物質と電気抵抗」。電気抵抗とは電流の流れやすさのこと。

実は銅やアルミといった金属だけじゃなく、世の中の物質全てが電気を流すことが出来るんです。例えば、雷が落ちる現象。あれは電流が流れにくい「空気」に大きな電圧がかかって無理やり流れてしまう現象。

電流が流れるとは言っても、物質の構造によって電気が流れやすはまちまち。そのあたりの理屈を理系ライターR175と解説していくぞ!

ライター/R175

理科教員を目指すブロガー。前職で高温電気炉を扱っていた。その経験を活かし、教科書の内容と実際の現象を照らし合わせて分かりやすく解説する。

1.電気の流れやすさの決め手

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電流の流れやすさ(電気抵抗)と言えば、オームの法則。

電圧=電流x電気抵抗で表されますね。

電気抵抗が低いあまり電圧をかけなくても電流が流れる、つまり電流が流れやすい状態。

電気抵抗が高い少しの電流を流すのにも、大きな電圧が必要。つまり電流が流れにくい状態。

この電流の流れやすさの決め手は、物質の「電荷の配置」。

物質を構成する原子は、+電荷の原子核と-電荷の電子から成ります。この電荷の位置取りこそ電気の流れやすさの決め手なのです。

2.実は全ての物質が電気を流す?

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さて質問です。

電流を流すことが出来る物質はどんな物質でしょうか?

銅、アルミ、鉄、金属類とか黒鉛等いわゆる「導電体」と呼ばれる電気抵抗値が低い物質は電気を流しますね。

あと、最近よく耳にする半導体。これは電流を流したいときに流すためのもの。導電体より少し電気抵抗値が高いです。電流を流したいときは電圧を高めにかけて電流を流し、流したくないときは電圧を低くして電流を流さないようにします。そういう制御をして、電流が流れてほしい時だけ流すのが半導体。

最後に不導体。空気も電気抵抗が非常に高く不導体の1つと言えます。この空気中をが走る現象は、「不導体である空気に電流が流れている」ことになりますよね。雷は大きな電圧(パワー)を持っているため、少々電流が流れにくい物体(例えば空気)にも無理やり電流を流してしまいます。

電圧次第ではありますが、「導体」、「半導体」、「不導体」全て、電流を流すことが可能。なぜそんなことが可能なのか?答えは、物質内での電荷の配置にあります。

電流が流れる条件

不導体も電流を流すことが可能ですが、低い電圧の場合やはり電流は流れません。ある一定以上の電圧(パワー)が必要です。

2-1.物質の構成要素

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電流の流れ方を見る前にまず、物質の構成要素を見ていきます。物質を拡大していくと最終的に何と何で構成されているでしょうか。その何かと何かが電流を流す役割を担っているのです。

身近な物質の例として、木材を拡大して見てみましょう。木材の主成分はセルロース、イラスト示すような構造ですね。

\次のページで「2-2.原子核(+)と電子(-)のポジショニング」を解説!/

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さらに拡大して、原子1個単位で見てみましょう。

 

炭素(C)や水素(H)、酸素(O)の原子核、その周りには電子が配置されています。それ以外には何もありません。別の元素が混ざってるかもしれませんが、いずれにせよ原子核(+電荷)と電子(-電荷)しかありません。物質の構成要素は+の電荷か-の電荷の2択といった具合です。

2-2.原子核(+)と電子(-)のポジショニング

2-2.原子核(+)と電子(-)のポジショニング

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全ての物質が+電荷と-電荷が組み合わさって出来ていると書きましたが、これらの電荷はどこにでも存在できるわけではありません。

+同士あるいは-同士の電荷は退け合い(斥力)、+電荷と-電荷は引き付け合います(引力)。

原子核(+)の周りには電子が集まってきて、その電子は別の+電荷も寄せ付けますが、原子核(+)と近づき過ぎることは出来ず、ある程度の距で止まります。

電荷同士の引力や斥力のバランスを保った結果が物質の構成状態。

「ここに電子が何個存在できる」、「1つ目の電子はこの辺りで2つ目はこの辺り」という風に存在出来る場所の範囲が決まってくるのです。「あと1個オマケで配置」といったことは起こりません。

 

電荷の存在範囲

+電荷と-電荷が電気的につり合うちょうどいい位置に存在するのですが、存在出来る位置がピンポイントでガチガチに決まっているわけではありません。

ここからここまでのという風に範囲が決まっているものと考えてください。

ある原子核(+電荷)の周りに電子(-電荷)が存在できる範囲。これがいわゆる電子軌道です。

3.物質に電気が流れる時のイメージ

3.物質に電気が流れる時のイメージ

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上述の通り、物質の構成要素は+の電荷か-の電荷の2択。そこに電圧がかかる=別の電荷がやってくることになります。

+同士あるいは-同士の電荷は退け合い(斥力)、+電荷と-電荷は引き付け合います(引力)。

イラストでは+の電荷がやって来たイメージを示しています。

やって来た+電荷は、-電荷から引力を受けながらも+電荷からは斥力を受けて物質内を移動していくもの。

+電荷がうまいこと通っていけるような配置を取ることが出来れば電気が流れやすく、通りづらい配置になってしまうなら電流が流れにくいです。

\次のページで「3-1.電気が流れやすい物質のイメージ」を解説!/

電圧のイメージ

電圧をかける=電荷が押し寄せる

電圧の大きさは押し寄せる電荷たちの運動エネルギーの大きさと考えましょう。

電圧が大きい=電荷たちが高速で押し寄せて来ている

というイメージですね。

少々電荷が渡って行きにくい構造でも、勢いよく押し寄せれば渡って行けそうですね。

3-1.電気が流れやすい物質のイメージ

3-1.電気が流れやすい物質のイメージ

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鉄、銅、アルミなど。電気が流れやすい物質ではどんなことが起きているか見ていきます。

電圧がかかると=+の電荷が押し寄せてくるとイメージ。

押し寄せて来た電荷がスイスイと通って行けるような配置になっているもの。

例えば、柔軟に動ける電子(-電荷)が存在する状態。押し寄せて来た+電荷は電子(-電荷)に引き寄せられスイスイ進んで行けますね。

3-2.電気が流れにくい物質のイメージ

3-2.電気が流れにくい物質のイメージ

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一方、樹脂や木材など電気が流れにくい物質は、電荷が押し寄せて来ても、なかなか通って行けない配置になっているもの。

例えば、電子がほとんど動けない状態。+電荷が押し寄せて来てもそこに留まってしまい動くことが出来ません。

押し寄せる電荷が大きなエネルギーを持っていないと、中々物質内を渡って行けません。

電気の流れやすさ

電気抵抗は電流を流すのにどれだけのパワー(電圧)が必要かの指標

押し寄せて来た電荷の渡りやすさの指標とも言えますね。

電荷の渡りやすさは、物質内の原子核(+電荷)と電子(-電荷)のポジショニングで決まるのです。

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物理理科電磁気学・光学・天文学

決め手はただ1つ。「物質と電気抵抗」を理系ライターがわかりやすく解説

今回のテーマは「物質と電気抵抗」。電気抵抗とは電流の流れやすさのこと。

実は銅やアルミといった金属だけじゃなく、世の中の物質全てが電気を流すことが出来るんです。例えば、雷が落ちる現象。あれは電流が流れにくい「空気」に大きな電圧がかかって無理やり流れてしまう現象。

電流が流れるとは言っても、物質の構造によって電気が流れやすはまちまち。そのあたりの理屈を理系ライターR175と解説していくぞ!

ライター/R175

理科教員を目指すブロガー。前職で高温電気炉を扱っていた。その経験を活かし、教科書の内容と実際の現象を照らし合わせて分かりやすく解説する。

1.電気の流れやすさの決め手

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電流の流れやすさ(電気抵抗)と言えば、オームの法則。

電圧=電流x電気抵抗で表されますね。

電気抵抗が低いあまり電圧をかけなくても電流が流れる、つまり電流が流れやすい状態。

電気抵抗が高い少しの電流を流すのにも、大きな電圧が必要。つまり電流が流れにくい状態。

この電流の流れやすさの決め手は、物質の「電荷の配置」。

物質を構成する原子は、+電荷の原子核と-電荷の電子から成ります。この電荷の位置取りこそ電気の流れやすさの決め手なのです。

2.実は全ての物質が電気を流す?

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さて質問です。

電流を流すことが出来る物質はどんな物質でしょうか?

銅、アルミ、鉄、金属類とか黒鉛等いわゆる「導電体」と呼ばれる電気抵抗値が低い物質は電気を流しますね。

あと、最近よく耳にする半導体。これは電流を流したいときに流すためのもの。導電体より少し電気抵抗値が高いです。電流を流したいときは電圧を高めにかけて電流を流し、流したくないときは電圧を低くして電流を流さないようにします。そういう制御をして、電流が流れてほしい時だけ流すのが半導体。

最後に不導体。空気も電気抵抗が非常に高く不導体の1つと言えます。この空気中をが走る現象は、「不導体である空気に電流が流れている」ことになりますよね。雷は大きな電圧(パワー)を持っているため、少々電流が流れにくい物体(例えば空気)にも無理やり電流を流してしまいます。

電圧次第ではありますが、「導体」、「半導体」、「不導体」全て、電流を流すことが可能。なぜそんなことが可能なのか?答えは、物質内での電荷の配置にあります。

電流が流れる条件

不導体も電流を流すことが可能ですが、低い電圧の場合やはり電流は流れません。ある一定以上の電圧(パワー)が必要です。

2-1.物質の構成要素

{{{画像alt1}}}
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電流の流れ方を見る前にまず、物質の構成要素を見ていきます。物質を拡大していくと最終的に何と何で構成されているでしょうか。その何かと何かが電流を流す役割を担っているのです。

身近な物質の例として、木材を拡大して見てみましょう。木材の主成分はセルロース、イラスト示すような構造ですね。

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