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固体中の電子伝導におけるジュール熱は、固体中のイオン伝導現象においてもあると思いますか?

質問者からの補足コメント

  • ある場合、どのようなイメージなのかも知りたいです。

      補足日時:2018/05/27 19:13
  • 電子伝導においては、電子が陽子に衝突し、振動させる、つまり熱エネルギーになると下記のサイトなどに記載されておりました。
    http://wakariyasui.sakura.ne.jp/p/elec/ene/jyu-r …
    イオン伝導の場合は、そのようなイメージができず、文献も見つからずで質問させて頂きました。

      補足日時:2018/05/27 22:29
  • ここで新たな疑問で恐縮なのですが、
    イオン伝導におけるジュール熱は、その抵抗 (イオン伝導における前指数因子と活性化エネルギー)とそのような関係にあると思いますか?
    電子伝導の場合は、抵抗に反比例すると思うのですが。

      補足日時:2018/05/28 22:40

A 回答 (7件)

オームの法則は変数がV、I、Rと3つあるのでどれか一定にしないと議論がかみ合いません。


通過速度を小さくならないように電界で加速して一定にしているのが電圧です。の
通過速度を小さくならないようにはIを一定にした場合です。その時はジュール熱はI²RtでRに比例します。
この時I一定にするため電圧Vで調整しています。
一般式I²Rtをオームの法則で変化させるとQ=V²/R×tですが、電流を一定にした場合VとRは変化するので
Qはどちらかを一定にしないと議論出来ません。電流を一定にした場合はQ=I²Rtの方が理解しやすいのです。
定電圧印加測定時はQ=V²/R×tの方が理解しやすいのですが、Rが大きくなった分電流Iが小さくなっていることを忘れてはなりません。従って、電流I一定の場合はQは抵抗に比例する。
電圧一定の場合は抵抗に反比例をすると言うことになります。

ジュール熱の起源の”相互作用が大きい”とは抵抗の大きい原子は運動している電荷からエネルギー移動効率が高いと言うことです。
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この回答へのお礼

なるほどです。
電圧一定の場合は、抵抗に反比例なのですね。。
例えば、超伝導体のような抵抗がR≒0のものに定電圧をかけると、すごい熱がでてしまうっていうのが少し不思議に思ってしまいました。
超伝導体の場合は、ジュール熱がないみたいなことを言っていたので。確かに定電流の場合は、そうだと思いましたが。。

お礼日時:2018/05/29 18:46

物質が固体の中を通過する時は必ずクーロン引力、斥力の相互作用をします。

その相互作用で通過する物質が持つエネルギーを固体に与えるのです。
と言うことは、相互作用(抵抗)が大きいとエネルキーを失い通過速度が小さくなって、結局ジュール熱は小さくなることになって抵抗に負の比例をすることになりますが、これは間違いです。通過速度を小さくならないように電界で加速して一定にしているのが電圧です。
この結果、電荷の通過によるジュール熱は電子の場合と同じく抵抗に比例します。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
知られているのは比例ですよね。。上辺だけで式をおってしまうとだめですね。。伝導体に定電圧V印加測定を行った場合、ジュール熱Q=V^2/Rなら反比例と思ってしまいました。
定電圧印加測定時はどのようになるでしょうか? 抵抗が大きい方が流れる電流値は少ないので、熱変換が少ないということを言われたときにちゃんと説明できないなってなってしまいました。
イメージ的には、抵抗が大きい方が言っていただいているジュール熱の起源の”相互作用が大きい”のでってことなんでしょうけど、上の説明は難しいでしょうか?

お礼日時:2018/05/29 11:20

記述のようなことがイオン伝導現象でも起こるのどうかを議論したいです。



起こらない理由はありません。物質が固体の中を通過する時は必ずクーロン引力、斥力の相互作用をします。その相互作用で通過する物質が持つ
エネルギーを固体に与えるのです。
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この回答へのお礼

ホッピング現象であるイオン伝導で、それに必要な活性化障壁も流速を決める要因でしかないと考えると、エネルギーロスがないのではと考えてしまいましたが、確かに言われてみればそうですね。
勉強になります。

ここで新たな疑問で恐縮なのですが、
イオン伝導におけるジュール熱は、その抵抗 (イオン伝導における前指数因子と活性化エネルギー)とそのような関係にあると思いますか?
電子伝導の場合は、抵抗に反比例すると思うのですが。

お礼日時:2018/05/28 22:39

ジュール熱はIVtですIはクーロン毎秒、Vはジュール毎クーロン= kg·m²·s⁻³·A⁻¹です。

電子であろうがイオンであろうがそれらの差、体積の単位(m³)は含まれていません。ジュール熱もゲージ変換(スケール変化)で不変だからです。
文献には電子が陽子に衝突し、とはなく、加速した自由電子は導体中の他の原子(陽イオン)に衝突し、陽イオンを激しく振動させます。
陽イオンは陽子のことではなくて電子1つ無くした原子のことです。しかし、陽イオンがなくとも、加速した自由電子は導体中の他の原子と相互作用して原子を振動させます。
固体中のイオン伝導現象を利用した排気ガス中の酸素濃度を測定する装置に高温で酸素イオンを透過させるジルコニアがあります。これで、ネルンストの式から電圧を求めて内外の酸素濃度差を求めています。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

>文献には電子が陽子に衝突し、とはなく、加速した自由電子は導体中の他の原子(陽イオン)に衝突し、陽イオンを激しく振動させます。
陽イオンは陽子のことではなくて電子1つ無くした原子のことです。しかし、陽イオンがなくとも、加速した自由電子は導体中の他の原子と相互作用して原子を振動させます。

記述のようなことがイオン伝導現象でも起こるのどうかを議論したいです。

お礼日時:2018/05/28 12:50

No.1です。


イメージとするならば、
質量ある物の移動にはエネルギー(消費)が必要である。
と言うことになります。
もちろん慣性系に於いて速度変化無しならば、エネルギーの出し入れはありませんが。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
そのエネルギーは、伝導であれば、電場によって加えられているという認識でした。
電子伝導においては、電子が陽子に衝突し、振動させる、つまり熱エネルギーになると下記のサイトなどに記載されておりました。
http://wakariyasui.sakura.ne.jp/p/elec/ene/jyu-r …
イオン伝導の場合は、そのようなイメージができず、文献も見つからずで質問させて頂きました。

お礼日時:2018/05/27 22:26

思った方が良いでしょうね。

ただしイオンの移動度は電子の移動度に比べ圧倒的に小さいので、イオンから来る発熱は振動から来ると考えておいた方が良いでしょう。もちろん移動はするのですが非常に遅いです。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
どのような機構・イメージで、振動エネルギーに変わるかも知りたいです

お礼日時:2018/05/27 19:14

電子やイオンの移動は電流で表され、


それがエネルギーを消費することで、ジュール熱が発生します。
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
電子のときのように、エネルギーを消費するのは、どのようなイメージなのかが知りたいです。

お礼日時:2018/05/27 19:13

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