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タイトルにも挙げたように金属や半導体における熱伝導率と電気伝導率はどのような関係を持っているのかがいまいち理解できません。分かる方がいらしたらぜひ教えてください、お願いします。

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A 回答 (4件)

 物質の熱とは格子振動、つまり原子核の振動なんですが、


それを伝えているのは通常電子なんです。
 熱せられ原子が振動しても、原子核同士が衝突する
わけでなないので、その振動(つまり熱)を伝える
担い手になっているのは、原子核の周りの電子及び電磁波なんです。

 ここでいきなり電磁波が出てきて少しフシギかもしれませんが、
電子も原子核を直接ぶつかっているわけではないので、
電子と原子核のエネルギーの交換の担い手としては電磁波が出てくる
のです。


 鉄を熱すると赤くなりますよね。つまり赤い光が
出てるわけじゃないですか。光ってつまりは電磁波
でしょ。周囲の電子、原子核に伝えても余るエネルギー
は電磁波のまま、物質の外に出てきてしまうわけです。

 熱した鉄に直に手を触れなくても、手を近づけた
だけで暖かく感じるのは、鉄の出す赤外線で熱せられた
空気の振動と、鉄の出す赤外線を直に人の手が
感じるからなんですが、いずれにせよ熱の伝達には電磁波が
つき物なんですが、電磁波は電子の運動で発生するもの。
だから、電子が自由に動ければ電磁波が発生しやすく
その電磁波が回りの電子に影響を与え、その電子が
動きやすければさらに電磁波の発生、そして周囲の格子振動
へと変わっていくわけです。(少しおおざっぱですが)
  動きやすい電子? つまり伝導帯にある自由電子が
多ければそれだけ熱は伝わりやすいのです。

 そのため一般には自由電子密度が大きい物質、つまり
金属は熱の良導体になります。自由電子が電流の
担い手であることはご存知ですね。

 ということで通常は熱の良導体は同時に電気の良導体に
なります。
 
 勿論例外も多々あります。その場合は自由電子が電気を運んで
いないわけです。ですから物質の電気的性質をより深く研究
するときは、その物質の比熱の変化とかいった熱力学的性質を
十分調べるのです。
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この回答へのお礼

丁寧なご回答を頂き、有難うございました。とても分かりやすかったです。

お礼日時:2003/02/05 14:10

◇電気伝導率(でんきでんどうりつ)


物質中での電流の流れやすさをしめす量。抵抗率の逆数です。
一方、
◇熱伝導率(ねつでんどうりつ)
物質内での熱の伝わりやすさを表す量。
熱伝導率は熱を伝える 速さを特徴づける。

金属は自由電子をもち、これが電流が流れやすい要因です。
また、熱を持つという意味は、格子間の分子が振動することに
起因します。 その伝達には自由電子が使われます.

したがって、自由電子が活発に動き回れる電気伝導率が高い物質は
熱伝導率も高い。と言えます。
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この回答へのお礼

分かりやすい説明を頂き有難うございました。参考にさせていただきます。

お礼日時:2003/02/05 14:14
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この回答へのお礼

1回過去ログを見るべきでした。すみません。見させていただきましたがとても詳しく説明してありとても参考になりました。有難うございました。

お礼日時:2003/02/05 14:12

1部の例外を除いて、一般的には熱伝導率の高い物ほど、電気抵抗は低いです。



熱伝導率が高くて、絶縁性のある(電気抵抗が高い)のがシリコンで、放熱部
への実用例が多いですね。
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この回答へのお礼

早いご回答有難うございます。参考にさせていただきます。

お礼日時:2003/02/05 14:13

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Q金属、半導体の抵抗の温度変化について

金属は温度が高くなると抵抗が大きくなり、半導体は温度が高くなると抵抗が小さくなるということで、理論的にどうしてそうなるのでしょうか。
金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
ホールは、半導体物理学においてプラスの電子のように扱われますが、その実体は、電子が欠けた場所のことを表す「穴」のことであって、おとぎ話の登場人物です。
電子の濃度とホールの濃度に違いがあったとしても、一定の温度においては、両者の濃度の積は一定です。
これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
それと同様に、真性半導体においても、温度が上がると電子とホールが発生しやすくなるのに比べて、両者が出合って対消滅する反応が劣勢になるため、両者の濃度の積は増えます。
キャリアが増えるので、電流は流れやすくなります。

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体...続きを読む

Q抵抗率と導電率がよくわかりません

抵抗率と導電率がよくわかりません
金、銀、銀、アルミ、白金で抵抗率と導電率の高い順番はどうなりますか?

Aベストアンサー

電気分野からの視点で回答します。
抵抗率…電流の流れにくさ
導電率…電流の流れやすさ



導体の抵抗は長さに比例し断面積に反比例します。導体の抵抗R=ρl/A[Ω]で表されます。


抵抗率ρ(ロー)は※物質によって決まる定数で
ρ=RA/l[Ω・m]←の式で表されます!
Rは抵抗[Ω]
Aは断面積[m×m]
lは長さ[m]


導電率σ(シグマ)は抵抗率の逆数なので
σ=を1/ρ[S/m]で表されます。



抵抗率の高い※物質(金属)順に
白金 1.06pΩ
アルミニウム0.275pΩ
金 0.24pΩ
銀 0.162pΩ

p(ピコ)=10の-9乗のことです。


日常生活において水に例えると!
同じ直径のホースを2本用意
1本は10m もう1本は100m
同じ勢いだと100mのホースが抵抗率が高いといえます!

Q熱伝導率と電気伝導率について

熱伝導率と電気伝導率について

熱伝導率の大きな物質(例えば銅、アルミニウム、鉄、・・・など)は電気伝導率も大きく、
熱伝導率の小さな物質(例えばアスベスト、ガラス、発泡スチロール・・・など)は電気伝導率も小さい。
これは常に成り立つのでしょうか。
またこの熱伝導率と電気伝導率の関係性は物理的に解明されているのでしょうか。
 

Aベストアンサー

電気伝導と、熱伝導は、物性論の教科書をひもとかれれば、理論的にだいたい説明がつくことが割と簡単にご理解頂けるとおもいます。小生は電気伝導性ない(すなわち絶縁体)、熱伝導のよい材料の開発にむかし従事していました。自分の知るかぎり実用化された材料でのチャンピオンデータはBeOでまさに圧勝でした。熱膨張経緯数もアルミナとほぼ同じことから半導体の熱拡散材料として、他に累を見ない材料でしす。ただ、毒性の問題でその使用が相当規制されており、国産されていないため(製造、加工が禁止されている)、相当量米国から輸入されているはずです(米国の一企業の独占)。次にAlNとかSiCが絶縁材料で熱伝導率が高いため注目されていますが、AlNは熱膨張係数が若干小さいこと、SiCはご存じ半導体でBeOを添加して絶縁性を得ていましたが(開発当時は、日本の世界的発明ともてはやされました)、それでもAlN以上に電気特性が良くないこと、それとやはりBeOが問題となり今はあまり使用されていないはず。最初の方がお答えになったダイヤモンドは熱伝導、絶縁性ともに極めて良好ですが、熱膨張係数があまりに小さすぎ、半導体とのミスマッチがひどく、大型チップへの対応ができないため、その用途は極めて限られてているはずです。

電気伝導と、熱伝導は、物性論の教科書をひもとかれれば、理論的にだいたい説明がつくことが割と簡単にご理解頂けるとおもいます。小生は電気伝導性ない(すなわち絶縁体)、熱伝導のよい材料の開発にむかし従事していました。自分の知るかぎり実用化された材料でのチャンピオンデータはBeOでまさに圧勝でした。熱膨張経緯数もアルミナとほぼ同じことから半導体の熱拡散材料として、他に累を見ない材料でしす。ただ、毒性の問題でその使用が相当規制されており、国産されていないため(製造、加工が禁止されている...続きを読む

QNをkgに換算するには?

ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?一応断面積は40mm^2です。
1N=9.8kgfなので、「40kg=N×0.98」でいいのでしょうか?
ただ、式の意味がイマイチ理解できないので解説付きでご回答頂けると幸いです。
どなたか、わかる方よろしくお願いします。

Aベストアンサー

こんにちは。

kgfはSI単位ではないですが、質量の数値をそのまま重さとして考えることができるのがメリットですね。


>>>
ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?

なんか、日本語が変ですね。
「ある試験片に40kgの重りをつけた時の引っ張りの力は何Nの力で引っ張るのと同じですか?」
ということですか?

・・・であるとして、回答します。

40kgのおもりなので、「おもりにかかる重力」は40kgfです。

重力は万有引力の一種ですから、おもりにも試験片にも、地球からの重力はかかります。
しかし、試験片の片方が固定されているため、見かけ、無重力で、試験片だけに40kgfの力だけがかかっているのと同じ状況になります。

試験片にかかる引っ張り力は、

40kgf = 40kg×重力加速度
 = 40kg×9.8m/s^2
 = だいたい400N

あるいは、
102グラム(0.102kg)の物体にかかる重力が1Nなので、
40kg ÷ 0.102kg/N = だいたい400N


>>>1N=9.8kgfなので、「40kg=N×0.98」でいいのでしょうか?

いえ。
1kgf = 9.8N
ですね。


>>>一応断面積は40mm^2です。

力だけでなく、引っ張り応力を求めたいのでしょうか。
そうであれば、400Nを断面積で割るだけです。
400N/40mm^2 = 10N/mm^2 = 10^7 N/m^2
1N/m^2 の応力、圧力を1Pa(パスカル)と言いますから、
10^7 Pa (1千万パスカル) ですね。

こんにちは。

kgfはSI単位ではないですが、質量の数値をそのまま重さとして考えることができるのがメリットですね。


>>>
ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?

なんか、日本語が変ですね。
「ある試験片に40kgの重りをつけた時の引っ張りの力は何Nの力で引っ張るのと同じですか?」
ということですか?

・・・であるとして、回答します。

40kgのおもりなので、「おもりにかかる重力」は40kg...続きを読む

Q比熱と熱伝導率の温度特性について

炭素鋼の比熱と熱伝導率をハンドブックで調べると、
   
温度[℃]、比熱[J/kgK]、熱伝導率[W/mK]
200、514、48  
400、586、41
500、648、38
600、707、34
800、623、25
900、548、27

とありました。
このように、温度によって比熱や熱伝導率はどうして変化するのですか?
極大値や極小値があるのはどうしてですか?
また、この数値をある解析に使おうと考えており、
各温度の間は最小自乗法で補間しようと思っているのですが、
このような場合、補間は普通どういったものを使いますか?
素人的な質問をいろいろ書きましたが、
詳しい説明を宜しくお願い致します。

Aベストアンサー

固体の比熱はDulong-Petitの法則として知られており、室温程度以上の領域なら定積モル比熱Cvは3Rで一定となります(結晶構造や原子間距離によらない)。ここにRはガス定数です。
ところがもし膨張を許すならその膨張により外界に仕事をするわけですから、もう少し余分の熱量が必要です(定圧モル比熱Cp)。具体的にはGrueneisen定数γを用いて
 Cp=Cv(1+γαT)
と表されます。γは物質ごとの値です。
γの温度依存性は小さいので定数とみなすと、定圧モル比熱が温度とともに少し大きくなることは理解いただけると思います。(ご質問の比熱は定積比熱、定圧比熱のいずれでしょうか? 通常ですと測定し易い定圧比熱の値だと思いますが。なお上記の説明では「モル比熱」を用いていますが、質量当たりの比熱([J/kg K])でも議論の本質が同じであることは申し上げるまでもありません)
さらに高温にした場合(ご質問の800℃以上)で比熱が下がっている理由は残念ながら分かりません、すみません。

熱伝導率の温度変化の説明には簡単な固体物性の知識が必要です。
固体中の熱は格子の弾性波に対応する量子(フォノン)によって運ばれます。熱伝導率κはフォノン1個の熱容量をc、固体中の音速をv、フォノンの平均自由行程をLとして
 κ=(1/3)c v L
と表されます。
高温ではフォノン同士の衝突機会が増えてフォノンの平均自由行程Lが短くなり、そのために熱伝導率が低下します。

補間は解析の種類や必要とする精度にもよりますが、大抵の場合(例えば有限要素法による熱伝導解析)は最小自乗法を持ち出すまでもなく折れ線近似で十分だと思います。比熱や熱伝導率の温度依存性の影響はそれで見ることができます。さらに詳細な変化まで追いたい、ということであれば改めて高次の近似をすればよいでしょう。

固体の比熱はDulong-Petitの法則として知られており、室温程度以上の領域なら定積モル比熱Cvは3Rで一定となります(結晶構造や原子間距離によらない)。ここにRはガス定数です。
ところがもし膨張を許すならその膨張により外界に仕事をするわけですから、もう少し余分の熱量が必要です(定圧モル比熱Cp)。具体的にはGrueneisen定数γを用いて
 Cp=Cv(1+γαT)
と表されます。γは物質ごとの値です。
γの温度依存性は小さいので定数とみなすと、定圧モル比熱が温度とともに少し大きくなることは理解いただけると思い...続きを読む

Qエクセルで計算すると2.43E-19などと表示される。Eとは何ですか?

よろしくお願いします。
エクセルの回帰分析をすると有意水準で2.43E-19などと表示されますが
Eとは何でしょうか?

また、回帰分析の数字の意味が良く分からないのですが、
皆さんは独学されましたか?それとも講座などをうけたのでしょうか?

回帰分析でR2(決定係数)しかみていないのですが
どうすれば回帰分析が分かるようになるのでしょうか?
本を読んだのですがいまいち難しくて分かりません。
教えてください。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるための指数表記のことですよ。
・よって、『2.43E-19』とは?
 2.43×1/(10の19乗)で、
 2.43×1/10000000000000000000となり、
 2.43×0.0000000000000000001だから、
 0.000000000000000000243という数値を意味します。

補足:
・E+数値は 10、100、1000 という大きい数を表します。
・E-数値は 0.1、0.01、0.001 という小さい数を表します。
・数学では『2.43×10』の次に、小さい数字で上に『19』と表示します。→http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%87%E6%95%B0%E8%A1%A8%E8%A8%98
・最後に『回帰分析』とは何?下の『参考URL』をどうぞ。→『数学』カテゴリで質問してみては?

参考URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9E%E5%B8%B0%E5%88%86%E6%9E%90

★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるた...続きを読む

Q質量パーセントと重量パーセント

質量パーセントと重量パーセントの単位はそれぞれ違うのでしょうか?
mass% wt%というのがありますが、それでしょうか?
また、このmass%とwt%の違いも教えていただけませんか?

Aベストアンサー

質量パーセント濃度と重量パーセント濃度は同じで、mass%とwt%も同じことを表わします。
でも、混ぜて使ってはいけません。
「質量」とmass%を使うほうが望ましいと思います。

Q金属(導体)の熱伝導が半導体や絶縁体より良い理由について質問です。

金属(導体)の熱伝導が半導体や絶縁体より良い理由について質問です。

物理物性に基づく観点で考察しています。

いろいろな文献を調べると、金属の熱伝導が半導体や絶縁体より大きい理由は

熱を加えたとき金属の原子が振動し、自由電子がぶつかることで
この振動している原子のエネルギーが自由電子に移り、この自由電子が
別の原子にぶつかることでその原子にエネルギーを伝えるというのが熱伝導で、
半導体や絶縁体は自由電子がないので金属のほうが大きいから、という解釈です。

しかし、熱伝導は自由電子だけではないと思います。
なぜならば、自由電子だけに依存するなら半導体や絶縁体は熱を伝えません。
しかし、現実には半導体も絶縁体も熱を伝えます。

なぜでしょうか?

愚考してみると、金属の場合は自由電子のほうが大きいウェイトを占めているから気づかないが、
それぞれの原子をつないでいる格子?のようなものが振動することで
さもバネのように熱を伝えるので、自由に動ける自由電子より遅いのではないか。
と、思いつきました。

実際はどうなんでしょうか?

Aベストアンサー

おっしゃる通り、不良導体も熱を伝えそれはいわゆる「格子緩和」という方法で行われます。
非結晶のものもありますが、簡単のため結晶に限って述べると、原子-原子間距離が変わる振動のかたちで起こります。
ただ、その速度は電子を媒体とする金属に比べ圧倒的に小さいのです。

Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Q固溶体、金属間化合物、合金の違いは?

「固溶体」、「金属間化合物」、「合金」の違いについて、分かりやすく教えて下さい。辞書類でそれぞれについては調べてみたのですが、いまいち違いが良く分かりません。宜しくお願いします。

Aベストアンサー

>メッキ鋼板、ステンレス(鉄にクロム、ニッケルを混ぜた?もの)、チタン合金等は.....
組成が限定されていないと正確なことはいえませんが、大まかには以下のようではにでしょうか?
メッキ鋼板:鋼板部分が(鉄)と(鉄と炭素の固溶体)と(鉄と炭素の化合物:セメンタイトFe3C)の混合物とメッキ部(単体金属/固溶体/金属間化合物?)
ステンレス:基本的には多分固溶体です。(一般的には不純物等による金属間化合物、酸化物、炭化物等も含んでいます。)
チタン合金:組成により、異なります。Ti-Al-V系では固溶体かな?ただ、Ti-Alの間では、Ti3Al等の金属間化合物も存在するので、よくわかりません。

P.S.
金属間化合物にも、化学量論組成からズレたものも存在します。
金属間化合物を作っているか/固溶体かは 相図(phase Diagram)を見れば判ります。(但し、相図は十分な時間経過の後の安定な状態です。急冷等にて作ったものは非安定相が含まれることがあり、この場合は判りません)


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