どういった仕組みでおきていることなのでしょうか。熱の伝わりやすさが物質によって違うのは、何が原因なんでしょうか?電流が流れるときのように電子が関係あるのですか?

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A 回答 (4件)

> 電流が流れるときのように電子が関係あるのですか?


とありますので,固体の熱伝導に絞って回答します.

熱は分子運動の激しさを表しています.
何らかの手段で,物の一部分だけ分子運動を激しくすると,
いろいろな相互作用のためや,分子(あるいは電子など)が動いてゆくことにより,
分子運動の激しさが他のところに伝わって行きます.
これが熱伝導です.

金属(導体)の場合と絶縁体の場合とでは少し話が違います.

金属では,その内部をほぼ自由に動ける電子(自由電子)があります.
金属の熱伝導はほとんど自由電子が担っています.
自由電子の運動が激しいことが温度が高いことに相当します.
通常の金属の場合,熱伝導率は電気伝導率に比例して大きくなり,
ヴィーデマン・フランツの法則と言われています.
熱伝導率をK,電気伝導率をσとして,K/σ が絶対温度Tに比例し,
しかも比例係数は金属の種類によらない,というものです.
実際,実験でもほぼそうなっています.
これは,通常金属の電気伝導と熱伝導が
共に電子の流れによって担われていることの結果です.
どれくらい熱伝導がいいかは,電子の動きを妨げる作用の大きさで決まります.
これには,不純物や格子振動が関係します.

絶縁体の場合は自由に動ける電子はありません.
絶縁体の熱伝導を担っているのは,格子振動です.
簡単には,格子は原子(あるいは分子)が規則的に並んでいると思って結構ですが,
原子などはその平衡位置を中心にして振動しています.
それが激しければ温度が高い,というわけです.
隣同士の原子の間には相互作用がありますから,
ある場所の原子の振動を激しくすると,だんだん周りにそれが移って行きます.
つまり,熱が伝わります.

概略は jun9031 さんの書かれているとおりですが
> 運動エネルギーが熱エネルギーに変換されています。
はちょっと表現がまずいようです.
分子などの運動エネルギーが平均的に大きいのが温度が高いと言うことですし,
平均的運動エネルギーの大きさが伝わってゆくのが熱伝導です.
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前の方々の説明と同じなのですが、せっかく書いたので載せさせていただきます。



熱って振動ですよね。
1.伝導
だから最も効率よく伝わるのは、強固な共有結合の結晶体=ダイアモンドです。
でも、単結晶ならうまく伝わりますが、多結晶だと境界部でロスしますので、効率落ちるようです。
金属は格子間満たす自由電子が、振動(熱)伝搬の担い手となるようですね。
2.輻射
空間での振動(熱)の伝搬は、電磁波(赤外線)によりますので、効率は悪くなります。
3.対流
空気が断熱性があるのは、気体なので密度が極端に小さいためです。
液体(気体も)は、固体よりもずいぶん自由に動けますので、振動(熱)を効率よく隣の分子に伝えることはできないようですが、振動(熱)を受け取った部分が、自ら移動して振動(熱)を伝えることができます。

木やプラスチックは分子中にソフトな部分とか、振動(熱)を吸収して変化する部分とかをたくさん持っていますので、
伝搬効率は著しく落ちるようです(他の固体と比べてですが)。
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熱は原子(分子)の振動ですから、隣の原子を順々に揺り


動かして伝わっていきます。

金属が熱を伝えやすいのは、おっしゃる通り、自由電子の
働きで説明されています。つまり、自分の持ち場を離れら
れない金属原子は隣にしか振動を伝えられませんが、勝手
に動き回れる自由電子は多くの原子や自由電子に振動を
伝えることができるのです。

液体の熱伝導率が低いのは、効率的に揺り動かせる「お隣
りさん」がいないからですね。ただし液体には「対流」と
いう飛び道具がありますが。
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めちゃくちゃ簡単にいってしまうと分子運動が


伝わっています。運動エネルギーが熱エネルギーに変換されています。
熱いところは速く分子が動いて、隣の分子にぶつかります。
そうするとぶつけられた分子も速く動く出すってわけです。
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Aベストアンサー

質問者さんの疑問は、よくあるものです。
ここでは、「磁場中を運動する荷電粒子に働く力=ローレンツ力」が働きます。この「方向」が問題なのですね。

ローレンツ力の方向は「フレミング左手の法則」に従います。人差し指が「磁場の方向」(Forefinger が Field)、中指が「電流の方向」(Center finger が Current)のときに、「働く力」が親指というわけです。(私はこの語呂合わせで覚えています。「右手」でも同じ)
このときの「電流の方向」とは「正電荷の動く方向」です。

ここで「ホール(正孔)」を考えると、図では正孔は「左→右」に移動し、電流もその方向ですから、力はα側向きに働きます。これはすんなり理解できると思います。

「電子」(負電荷)を考えると、図では電子は「右→左」に移動し、電流は逆方向の「左→右」ということになります。つまり、やはり力はα側向きに働きます。

つまり、電荷が正であっても負であっても、力の方向はα側向きということなのです。
ここのところを、もう一度確認することがポイントです。

これを普通の「導線」で考えれば、「導線に電流が流れると、導線に「フレミング左手の法則」の方向の力か働く」ということです。「電子」に対しても、「電子が抜けた正の原子=正孔」に対しても、同じ方向に力が働き、結果として「導線全体」にその方向の力が働くのです。
決して、導線の中では「電子」と「電子が抜けた正の原子=正孔」の数が同じなので、「右向きと左向きの力が相殺して、どちらにも力が働かない」ということはありません。「電子と正孔の両方に同じ方向の力が働くので、導線全体がその方向に力を受ける」のです。
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そのため、「正孔」も「電子」もα側向きに動くのですが、トータルしたときに「電子=負電荷」の方が多いか、「正孔=正電荷」の方が多いか、という違いが生じます。それによって、「電子=負電荷」の方が大きいときには反対側のβ側の電位が高くなり、「正孔=正電荷」の方が大きいときにはα側の電位が高くなるのです。この結果、磁場、電流と直角方向に「電場」ができることになります。
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その「半導体」特有の条件が、通常の導線と異なるところなのです。

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変更が定着するまでに生じる混乱の方が大問題です。

正の電荷をもつものが電流の流れを担う場合も有ります。
電池の内部を流れる電流の場合がそうです。

電線の中を流れる電子の速度は1mm/秒程度のゆっくりしたものですよ。
下記URLの例題2
http://qube.phys.kindai.ac.jp/users/kondo/lectures/ichikawa/ELE2p19-34.pdf
こちらも参考に
http://www.mogami-wire.co.jp/puzzle/pzl-05.html

電子の速度がこんなに遅いのに、スイッチから何10メートルも先にある電球がスイッチを入れるのとほとんど同時に点くのは電子が電気を運んでいるからではないからです。
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>熱電対の片側から電子はなくならないんですか?

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しかし、熱電対の場合は通常の電池とは異なり、温度差が電子を移動させる素なので、化学反応は起きていません。温度差を直接電気エネルギーに変換しているのです。
従って、電子は、反応には利用されず、回路内を延々とめぐります。

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というのは理解できます。
そして、このときの電流の流れやすさ・流れにくさを
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電気回路で、例えば豆電球が抵抗のはたらきをする。
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そもそも、直列に抵抗を接続しても、
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どこでも一定であるはずなのに、
豆電球のせいで、電流が流れにくくなるとは
どういうことでしょうか。
豆電球は何をしているのでしょうか。

オームの法則を使えば、
抵抗の大きさを求めることができますが、
その値が示しているものには
どういう意味があるのでしょうか。

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Aベストアンサー

>オームの法則を使えば、
抵抗の大きさを求めることができますが、
その値が示しているものには

本当のところを言うと、抵抗とは何なのか
結論の出ていることじゃないんです。

 ですから電流や電圧の関係を統一して
説明できるモデルは今のところありません。

 そのため他の方の回答にも
パチンコ玉とか水の流れの
例えなどいろいろ出てきているわけです。

 電流という言葉が示すとおり、200年以上
昔には、電気というのは水や空気のような
物体で、それが実際流れていると考えられて
いたんです。中学校や高校でやる電気関係の
理論の殆どはこのころ作られたもので、電子が
粒としての性質を持っているとか、物質は
原子という粒の性質をもったものの集まり
だなどという概念が認められるずっと前
の話です。

 水や空気がガラスのビンに閉じ込められるので、
電気も同じようにビンに閉じ込めようとしたのが
「ライデン瓶の実験」というもので、今では
この実験は、瓶の中に電荷がたまるという
説明で使われるのですが、ふたを開けなくても
電気が逃げてしまうので、電気が水や空気とは
違うのだとみんなが気づくきっかけになったんです。

>抵抗の大きさを求めることができますが、
その値が示しているものには


 高校の物理の試験で点数がもらえそうな
レベルの回答で言うとこんな感じです。

 物質は原子と呼ばれる粒の集まりで、原子は
プラスの電気を持った原子核と、マイナスの
電気を持った電子から成る。
 原子核よりはるかに軽い電子は、自由に
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原子核に引き寄せられているので、動きにくい
状態にある。この原子核から逃げられるだけの
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沢山あり、自由電子の移動を電流という形で
電流計で測定できる。
 しかし、原子核からの影響がゼロではないので、
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引き寄せられる効果で、電子の運動が妨害され
電子の動きにくさが★抵抗として測定できる。
 一度に大量の電子が移動すると、その影響が
逆に原子核に伝わり、原子自体の振動が大きくなり
その影響でさらに電子の運動が妨害される。
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(通常金属の抵抗は非常に小さいので
 無視しますが)
 

>電気回路で、例えば豆電球が抵抗のはたらきをする。
というのはどういうことですか?

 もともと抵抗があり、フィラメントの材質
(多分タングステンという金属だと思いますが)
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運動により振動しやすく、可視光線(目に見える
光)領域で強い電磁波(光は目に見える電磁波です)
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 原子の振動とは熱で、これが大きいと
電子の運動への妨害が大きくなるので、
熱を下げる、つまり振動を小さくしてやると
電気が流れやすくなります。(逆に
温度が上がれば電気が流れにくくなる)

 このため電線の温度を下げてやると
電気抵抗が下がります。


 電流が流れると発光まで行かなくても
かならす温度上昇があり、温度が上がると
抵抗が上がり、電流が減少します。

 このことからもオームの法則というのは、
実際にはもっと複雑な現象からくる
複雑な傾向を近似しているだけで、
現象の本質を表していないことが
わかると思います。

>オームの法則を使えば、
抵抗の大きさを求めることができますが、
その値が示しているものには

本当のところを言うと、抵抗とは何なのか
結論の出ていることじゃないんです。

 ですから電流や電圧の関係を統一して
説明できるモデルは今のところありません。

 そのため他の方の回答にも
パチンコ玉とか水の流れの
例えなどいろいろ出てきているわけです。

 電流という言葉が示すとおり、200年以上
昔には、電気というのは水や空気のような
物体で、それが実際流れていると考えられて
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