電気の流れ方について

金属の粉末に金属を薄くコートした粒子があり、その粒子同士を連結させて導通をとろうとした時、電流がコート層だけを流れているのか、内部まで流れているのか計算で出すことはできるものでしょうか？現状、粒子を圧粉にして抵抗を測ると、コートされた金属の重量に応じて二次曲線状に減衰していく現象が見られているのですが・・・。

また、基本的な話ですが、細い金属線に電流を流した時に、飽和する電流というのはどのように決まるのでしょうか？

素人な質問で申し訳ないですが、助言頂ける方よろしくお願いします。

No.7 ベストアンサー 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2015/11/10 12:11

>現状、圧粉抵抗でコート層と基材のどちらの方が電流が流れやすいかを議論するのはナンセンスという理解でいいのでしょうか？

　そうですね。
┏━低抵抗━┓
┫　　　　　┣
┗━高抵抗━┛
　なのですから・・

No.6 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2015/11/09 14:15

電流とは何かと言う基本的な部分から・・

　電流とは「電荷の移動」です。あなたはひょっとして、電子などの荷電粒子の移動と電流を混同していませんか??
　コーティング金属が柔らかいために、接触面積が増えるために接触抵抗が減少して電気抵抗が減るだけじゃないかと。
　そもそも、金属の両端に電位差が現われるとその内部をその金属内の屈折率--誘電率--に応じた光速でその電場の変化という信号が伝わります。電場の傾きによって内部の荷電粒子が移動を開始します。たとえば2mm程度の銅線に数アンペア流したって電子はカタツムリかナメクジ程度の速度でしか移動していない。できない。
　満杯に水が入ったホースのタンク側の蛇口をひねると、直ちに他方から水が出始めます。--水が移動=電荷が移動。しかし水自体はまだ数センチも進んでいない。水は水中の音速で水圧が伝わり、導体では導体内の光速で電場の変化が伝わる。が水分子や電子などが光速で移動しているわけじゃない。

　では抵抗が異なる場合・・いわゆる平行に抵抗値が異なる電線が繋がれていることに等価できます。
┏━低抵抗━┓
┫　　　　　┣
┗━高抵抗━┛
　抵抗は断面積と導電率に依存しますから、コーティング層の厚さが薄ければ、たとえ導電率が同じでも抵抗は大きいですから、もし両方の金属の誘電率が同じでも表面を流れる電流は少ないでしょう。
　表面を流れるか内部を流れるかは「コートされた金属の重量に応じて二次曲線状に減衰していく」とは関係ないでしょう。

>細い金属線に電流を流した時に、飽和する電流というのはどのように決まるのでしょうか？
　それはありません。といより金属とは温度が上昇すると抵抗値が増えるのですから、温度が上がれば抵抗値が増える。抵抗が増え電流が減る。

　電流が内部を流れているとか・・そんなのこの現象には無関係です。プレスの圧力を変えると抵抗値は減るはずです。昔のカーボンマイク( https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%A4 … )と同じ。

　なお電流が表面を流れると言う話が見受けられますが、これは表面電流の話で高周波電流は、外の空間(空気)のほうが光速が大きいために金属の表面と内部で電場の伝わる速度が異なるための現象です。

この回答へのお礼

色々と助言して頂き有難うございます
現状、コート層の重量(厚み)に応じて体積抵抗率が二次曲線状に下がって行くのは、接触面積に依存しているからと理解しようとしています。しかしながら、コート層の厚みを変化させた圧粉体の断面をSEMやSTEMで観察すると、どの水準の厚みでも粒子と粒子の間には空洞がありません。概ね密着しているようにも見えます。
また、圧力を変えても体積抵抗率はコート層の厚みに応じて二次曲線状に減衰する様子は同じでした。
しかし、ご指摘のようにコート層がやわらかいため、コート層の厚みが大きくなれば圧力をかけた時の粒子同士の接触面積も大きくなり、体積抵抗率が減少することも納得できます。

現状、圧粉抵抗でコート層と基材のどちらの方が電流が流れやすいかを議論するのはナンセンスという理解でいいのでしょうか？

現状、もう少し反復しながら考えてみます。詳しく解説頂き、大変感謝します。

お礼日時：2015/11/10 06:14

No.5 回答者： hokaketegoo 回答日時： 2015/11/03 21:56

No.3です。

お礼がありましたので、補足説明も見て考えて見ました。
なお、No.4さんが良く御説明されているので十分かとも思いますが、少し見方の違いもあります。十分な数の粒子が何か筒の中に詰め込まれて、ある程度の圧力で圧縮された導線路だろうと解釈しました。そこに電圧を掛けたとき、微弱な抵抗体に掛ける事になるのだから、電流が増加するのはオームの法則に従うでしょう。それはNo.4さんのおっしゃる通りです。ただ、その対象の粒状圧縮導線路の特性ということになれば、他に基準となる抵抗体を直列につないで当該粉末導線路の電圧電流を調べる事位しか思いつきません。少し電気理論と違いますが、電流は導線路の金属内部を通るより、その表面の空間を流れるエネルギーなのだと考えて置くのも大切かと思います。従って、貴方が考える対象の場合は、その金属と金属との間の空間が複雑な空間構造をしている点が極めて特殊に思えます。その点なかなか面白い対象と思いますので、自由な発想で考えて見て欲しいです。ただ微弱な電圧、電流の変化を見極めるのが、測定器の精度で、大変困難を伴うかとも？その測定法については残念ながら分かりません。御免なさい。

No.4 回答者： yhr2 回答日時： 2015/11/03 18:39

No.1です。

いろいろと補足を見た上での回答です。

　ひとつ訂正します。No.1に「電流は導体の表面を流れる」と書いたのは、「高周波」の話で、直流や低周波であれば導体全体を流れます。混乱させてスミマセン。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%A1%A8%E7%9A%AE …

　No.3さんへの「お礼」を見ると、「粉末は直径10ミクロン程度の粒子で表面に20nm程度の金属がコート」「なかの金属とコートした金属の抵抗は15%程度しかかわらない」とのことですね。

　状況はよくわかりませんが、一般的に次のようなことではないかと思います。

（１）やや抵抗の大きい金属球（直径10ミクロン）の表面に、15%程度抵抗の小さい金属が厚さ20nm程度でコートされていれば、その球ではほとんどの電流は「厚さ20nm程度でコート」された部分を流れると考えられます。
　これは、電流は少しでも抵抗の小さい部分を多く流れ、「電流」という目で見れば、「厚さ20nm程度」は十分な厚さの導体とみなせるからです。（電子というミクロな世界から見れば、20nmは十分にマクロな世界です。現在、半導体上の配線は20nm程度の幅です。IBMは7nmのものを製造したとのニュースもあります。↓）
http://www.businessnewsline.com/news/20150710025 …

（２）この球同士が、圧粉される場合には、「球」の変形のしかたによって、接触面積や接触抵抗が変わります。
　球が「極めて硬い」場合には、接触面積は小さく、接触抵抗は大きいでしょう。これは圧縮されてもあまり変わらないでしょう。
　球に弾力性がある場合には、圧縮すれば変形して接触面積が大きくなり、接触抵抗は小さくなるでしょう。
　いずれにせよ、「接触面積」は「球の数が多いほど大きい」ことになります。

（３）質問文に書かれた「粒子を圧粉にして抵抗を測ると、コートされた金属の重量に応じて二次曲線状に減衰していく現象が見られている」のは、上記（２）の、「接触面積が、球の個数に従って大きくなる」ことに対応しているのだと思います。
　球が固くて剛体なら、変形しないので、接触面積は「球の個数（つまり重量）に比例」するでしょう。
　球の圧縮による変形が発生すれば、「球の個数（重量）が増えると、接触面積は比例以上に大きくなる」ことになり、「球の個数（重量）の二乗に比例する」ような関係になる可能性も十分あると思います。（表面積が「二乗」で増加すれば、抵抗は「二乗」で減少する）
　
（４）そもそも、導体の抵抗は「長さに比例し、断面積に反比例」します（「流れにくさ」ですから）。ご質問の内容の関係が、どのような「粒子を圧粉したもの」の形状で測定したものかが不明ですので、「一定の粒子を圧粉したもの」の「電気抵抗率（比抵抗）」を一定の ρ（Ω･mm）と仮定して、「圧粉したもの」の断面積を S (mm^2) 、長さを L (mm) として、
　　抵抗値 R (Ω) = ρ * L / S
の関係を求めてみてはいかがでしょうか。
↓　電気抵抗率
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B0%97 …


　なお、No.3さんの「お礼」に書かれたような
＞ある電圧以上かけると、内部へ流れるとか放電するとかが計算で導けるといいのですが
という「不連続」なことは起こっていないと思います。あくまで「抵抗の大きいものと小さいもの」があり、その抵抗に従って「オームの法則」で決まる「電圧と電流の関係」で電流が流れている、ということです。

この回答へのお礼

丁寧なご説明を頂きまして、大変有り難うございました。
この質問をしたのは、現状の金属コート粉よりも低抵抗にするにはどうしたらいいかという課題があり、その課題に取り組むにあたり、金属コート粉の支配的な抵抗因子(接触抵抗、接触面積、界面抵抗、内部抵抗、粒界汚染、結晶子径、コート層と基材の配向など)を把握したかったからです。
汚染等は分析して調べることができるのですが、電気的な特性はなかなか調べることができず、課題の整理ができない状態なのです。対策がなく、銃弾爆撃的になってしまっています。
苦し紛れに広がり抵抗測定やアトムプローブを使って解析できないものかとも考えていますが、これらの方法は半導体レベルの抵抗体が測定対象ぬるので、現実的ではないと考えています。
このような課題に対してどのように取り組むべきかご助言頂けたら大変助かります。厚かましくて申し訳ないですが、お手透きのときにご回答いただけると助かります。取り急ぎ、お礼まで。

お礼日時：2015/11/10 21:57

No.3 回答者： hokaketegoo 回答日時： 2015/11/02 10:36

実験の状況がはっきりとは分からないのですが、金属の小さい玉を繋いだ電線路に電流を流すものと理解して考えます。

その電線は或る程度粒子が密集したものと理解します。中は空洞と金属球の接点から成り立つかと解釈します。
電流は金属表面近傍の空間を流れますので、金属球内部は流れません。また金属のコートを厚くすれば、電流の流れる空間が半径で大きくなりますので、電流は流れやすい状態になり抵抗は減少する筈です。電流というのは金属表面の空間を流れるエネルギーですから。金属導体内には流れていません。少し教科書と違うので御免なさいね。

この回答へのお礼

実験の内容を詳しく書けなくてすいません。また、ご助言ありがとうございます。もう少しご助言頂けるとありがたいので、粉末のことをもう少し書きます。粉末は直径10ミクロン程度の粒子で表面に20nm程度の金属がコートされています。なかの金属とコートした金属の抵抗は15%程度しかかわらないのですが、過大な電圧をかければ内部までながれるものでしょうか？低抵抗体なので実験もできずなかなか理解できません・・。何か似たような事例の解析例があるといいのですが、なかなかみつかりません。ある電圧以上かけると、内部へ流れるとか放電するとかが計算で導けるといいのですが、これも難しいような気がします。

お礼日時：2015/11/03 08:43

No.2 回答者： mandegansu 回答日時： 2015/10/30 09:55

１．粉末もコートも導電性の金属なら両方に流れます。

計算で算出するのは難しいですが絶縁コートがあればそれとの比較で算出出来るのでは？

２．＞＞＞細い金属線に電流を流した時に、飽和する電流・・・
飽和しません。電圧を上げれば電流がアップします。

No.1 回答者： yhr2 回答日時： 2015/10/28 23:34

＞電流がコート層だけを流れているのか、内部まで流れているのか計算で出すことはできるものでしょうか？

　電流が導体のどこを通るかの測定や計算はできません。もっとも、理論的には「電流は導体の表面を流れる」のですが。

　電流がどれだけ流れるかは「抵抗値」で決まります。表面を流れるか、内部も流れるかも含めて、導線全体の「電流の流れにくさ」（「流れやすさ」の逆数）は「抵抗値」で表わされます。ある電圧 V をかけたときに、ある電流 I が流れるとすれば、その比例定数ｋは
　　V = k * I
ですから、抵抗を R としたオームの法則
　　V = R * I
と同じことが分かりますよね。

　測定した抵抗値が「金属の重量に応じて二次曲線状に減衰していく現象」があるとすれば、それが「電流の流れやすさ」そのものなのではありませんか？（抵抗が減少すれば、電流が流れやすくなる）

＞基本的な話ですが、細い金属線に電流を流した時に、飽和する電流というのはどのように決まるのでしょうか？

　オームの法則からは「飽和する電流」というものはありません。ただし、現実には、電流が流れて「導線の微小な抵抗」（導線が細いほど抵抗が大きい）によって発熱し、「抵抗値の温度係数」に従って抵抗が増大し、より大きく発熱してさらに抵抗が下がる、ということで電流値が飽和することはあり得ます。

この回答へのお礼

質問にご回答頂きありがとうございます。
電流は導体の表面を流れるということについて、理解できやすい清書等があればご紹介頂けないでしょうか？すいません。
また、抵抗が減少すれば、電流が流れやすくなるということは理解できるのですが、粒子２つが接触している時、接触抵抗、接触面積、界面抵抗などなど考える要素がいくつかあり、頭の中でなかなか整理できないのですが、このような抵抗があったとしても、コートしている金属の重量（膜厚）に応じて抵抗が下がるのであれば、内部に金属まで導通はないと言い切っていいものでしょうか？専門が化学電気の基礎も分かっていないので、こんな質問をして申し訳ないですが、御時間が許すのであればもう少しご助言頂けないでしょうか？

お礼日時：2015/10/29 21:16