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伝導

伝導とは、熱や電流など、ある物質から別の物質に移動するプロセスです。伝導は、固体、液体、および気体で発生します。ただし、固体内の分子は最も密集しており、分子同士がより接近しているため、固体は最も効率的にエネルギーを伝達します。

• 2 つのオブジェクト間で伝導が発生するためには、それらが互いに接触している必要があります。
• 同じオブジェクト内の原子間で伝導が発生するためには、それらも接触している (またはほとんど接触している) 必要があります。

熱伝導

分子の温度が上昇すると、熱の伝導が発生します。それらは振動し、この振動と動きは熱エネルギーを周囲の分子に渡します。

温度の異なる2つの物体を接触させると、高温の物体から低温の物体に熱が流れます。物質の平均運動エネルギーは、体温の尺度です。物質の分子の平均運動エネルギーが上昇すると温度が上昇し、物質の分子の平均運動エネルギーが低下すると温度が低下します。

フライパンを火にかけます。炎からフライパンに熱が伝わるため、すぐにフライパンが熱くなります。鍋を火から下ろします。鍋から周囲に熱が伝わるため、徐々に鍋が冷えていきます。どちらの場合も、熱はより高温の物体からより低温の物体に流れます。

熱いお茶に触れると、手が熱いのを感じた経験があるでしょう。その理由は、熱エネルギーの一部がカップから手に伝わるからです。接触がある場合、熱い物体から冷たい物体に熱が移動します。物理学では、熱の伝達には媒体が必要であると言います。熱伝導とは、ある物体が互いに接触しているときに、温度の異なる物体から別の物体に熱が移動することです。固体では、一般に、熱は伝導プロセスによって伝達されます。熱伝導率は、材料がどれだけ効率的に熱を通過できるかを表します。これは、温度勾配と比較したときの単位面積あたりのエネルギーの流れの割合によって定義されます。

フーリエの熱伝導の法則:フーリエの法則は、熱エネルギーが暖かい物質から冷たい物質に移動することを示しています。フーリエの法則は次のように記述できます。

q = kAdT∕s

この式で、q は熱伝導率、A は伝熱面積、k は材料の熱伝導率、dT は材料全体の温度差、s は材料の厚さを表します。

例:

• ヒーティングパッドで背中の筋肉を温めます。
• あなたが寒くて、誰かがあなたを抱きしめているなら。彼らの体からあなたの体に熱が伝導され、あなたは暖かく感じます。
• 鍋で野菜を炒めるとき。炎から鍋へ、そして野菜へと熱が伝わります。

電気の伝導

電気の伝導は、荷電粒子が媒体を通過することによって発生します。この動きによって電流が発生し、電子またはイオンによって運ばれる可能性があります。電気伝導の例としては、体内に電気の伝導体である水が含まれているため、活線に触れたときに誤って感電してしまうことがあります。もう 1 つの例は、電気が導体であるワイヤーを通過するときです。これにより、テレビを見たり、コンピューターを使用したりできます。

導電率は、材料が電荷の移動にどれだけうまく対応できるかの尺度です。金属などの固体では、電子は原子にゆるく結合しているため、電子は金属の物体内で原子から原子へと自由に移動できます。この電子移動度により、電流を流すことができます。物体に電流を簡単に流すことができる場合、それらを良好な電気伝導体と呼びます。電気を通さない物質は絶縁体と呼ばれます。半導体の導電率は、絶縁体と導電体の中間です。 「完全な真空」には荷電粒子は含まれていません。真空は通常、非常に優れた断熱材として機能します。

金属の伝導はオームの法則でよく説明されており、電流は印加された電場に比例すると述べています。電流密度 (面積あたりの電流) jが材料に現れる容易さは、次のように定義される導電率σによって測定されます。
j = σE、

E はその場所の電場で、σ は材料の伝導率で、電荷がどれだけ簡単に移動するかを表します。

材料の電気伝導率または抵抗率は、材料のサイズまたは形状に関して変化しない不変の特性です。

伝導による充電:
物体は、伝導方法、つまり接触によって帯電する可能性があります。伝導により、ボディは充電ボディと同じ電荷を取得します。

実験:鉛筆の上で紙を転がし、鉛筆をそっと引き抜いて、紙の円柱を作ります。その中心に結ばれた糸で紙筒を吊り下げます。ガラス棒を絹でこすり、正電荷を持たせます。このガラス棒で紙筒に触れます。ガラス棒を取り外し、再度ガラス棒を紙筒に近づけます。

紙の円柱がガラス棒によって反発されていることがわかります。これは、紙の円柱が伝導によりガラス棒と同じ電荷である正電荷を獲得したことを意味します。

例:

• 家の中の電線は電気を通し、スイッチを入れると明かりがつきます。
• 固定電話では、音波が電気に変換され、電線を介して相手の電話に伝わり、そこで音波に変換されます。
• 避雷針は建物に設置され、落雷を引き付けて建物に衝突させ、建物に損傷を与えるのではなく、取り付けられたワイヤを介してそのエネルギーを地面に伝えます。
• 心臓には、独自の自然発生的な電気伝導システムがあります。心臓が鼓動すると、その電気信号によって心臓が適切なリズムで鼓動します。
• 心臓の電気系統が正常に機能しない場合、伝導をシミュレートするためにペースメーカーを取り付ける必要がある場合があります。
• 水に含まれるイオンによって、電気が流れることがあります。これが、雷雨の間は水泳を避けることが重要な理由です。雷が水に落ちた場合、その中の誰かが感電死する危険があります。

光伝導性

光伝導性は、物質が電磁放射を吸収するときに発生し、物質の電気伝導率が変化します。電磁放射は、半導体に当たる光のような単純なものから、ガンマ線にさらされた材料のような複雑なものまで、さまざまな原因で発生します。電磁事象が発生すると、自由電子の数が増加し、正孔の数も増加するため、物体の電気伝導度が増加します。シリコン、ゲルマニウム、硫化鉛、硫化カドミウム、および関連する半金属セレンなどの特定の結晶性半導体は、強い光伝導性があります。

例:

• コピー機
• ソーラーパネル
• フォトセル
• 赤外線検出装置。

熱と電気の良導体

 熱エネルギーまたは電気エネルギー、あるいはその両方を効率的に伝達する物体はすべて導体です。熱や電気を通さない物質は絶縁体です。

金属は一般に熱を効率的に移動させ、優れた熱伝導体です。布地や木材は熱伝導が悪い傾向があります。一般に、物質が熱エネルギーの良導体である場合、それは良好な電気伝導体でもあります。これは常に正しいとは限りません。たとえば、雲母は熱伝導体ですが、電気絶縁体です。塩水は熱伝導率が低いですが、電気伝導率は良好です。それでも、一般的に、物質内で熱エネルギーを移動させる原子の密集と電子の比較的自由な動きは、電子の電気エネルギーも移動させます。

溶解固形物を含まない純水は、導電性がありません。水に溶解しているミネラルが多いほど、電流は流れやすくなります。気体の混合物である空気は、一般に熱や電気の良導体ではありません。空気は水のように絶縁体と見なされます。しかし、空気中の粒子が、たとえば蓄積された静電気 (雷が落ちようとしているときの電界または電力線の電界) から強い電荷を受け取ると、空気は電気を伝導することができます。