超伝導体の熱伝導率について

解決済

質問者：yyz1974
質問日時：2001/06/24 12:49
回答数：4件

全く素人なので簡単にお答え頂ければ幸いです．
通常金属の場合熱伝導率は電気伝導率に比例して大きくなると教科書に書いてありました．
　超伝導体の場合熱伝導率は大変大きなものになるのでしょうか。またその関係は金属系の超伝導体と化合物超伝導体については異なるのでしょうか。電気伝導率は超伝導の場合無限に大きいと思っていましたがこれも間違いでしょうか。以上教えていただきますようお願いします。

通報する

この質問への回答は締め切られました。

質問の本文を隠す

回答 (4件)

ベストアンサー優先
最新から表示
回答順に表示

No.2ベストアンサー

回答者： motsuan
回答日時：2001/06/24 15:58

電気伝導と熱伝導の関係ですが

金属の場合、電子が熱を運ぶ割合が大きく、
熱を伝えるのに関わる電子の数や
移動のしやすさやが熱伝導率にそのまま利いてきます。
このとき熱というのは出鱈目なエネルギーを電子に与え
電子はそれに応じて、ばらばらに動くわけですが
全体として（あっち行ったり、こっち行ったりを
すべて合せると）ある方向（温度の低いほう）へ
エネルギー（熱）が伝えれれることになります。

一方、超伝導状態は、
電子が通常の伝導状態と異なり、
電子が一定の秩序をもって運動している状態です。
つまり、上に書いたようなばらばらなエネルギーを
個別に与えれられても電子１個としては対応できないわけで、
秩序を乱して、エネルギーを運ぶか、
出鱈目なエネルギーを運ぶのを止めるしかありません
（秩序を乱すには、他の電子にも負担がかかり、
　それなりに強いエネルギーでなくてはならないためです。
　熱自体は弱いエネルギーから
　強いエネルギーのつぶ（？）を含んでいるので
　全部が遮断されるわけではありません）。
したがって、超伝導状態では電子が熱をあまり伝えなくなります。
たとえば、極低温では熱スイッチとして使われています。
http://www.s.kanazawa-u.ac.jp/phys/physics_MC/ul …

ということになると思います。

- 0
- 件

通報する

この回答へのお礼

大変分かりやすく適確なご回答ありがとうございました．
超伝導の理屈というのは素人には大変分かりにくいのですが通常金属の完全導体と全く違うということは良く理解できました。

通報する

お礼日時：2001/06/25 23:07

No.4

回答者： siegmund
回答日時：2001/06/24 23:22

siegmund です．

motsuan さん，適切な補足ありがとうございます．

motsuan さんが書かれているように，
私の内容と motsuan さんの内容は全く同じことを言っています．
それにしても，
タッチの差(２分差！ですね)で投稿された二つの回答
(もちろん，全く独立に書かれています)が，
偶然ながら双方とも熱スイッチについて触れているところは面白いですね．
超伝導体の熱伝導がよくないことを積極的に利用した注目すべき技法
と言えばそれまでですが．

- 0
- 件

通報する

No.3

回答者： motsuan
回答日時：2001/06/24 22:06

補足です。

sigmundさんの
＞超伝導電子は熱を運びません
私の
＞超伝導状態では電子が熱をあまり伝えなくなります
は違うことをいっているようですが、
超伝導電子は熱を運べないけど、
超伝導状態から崩れた電子は熱を運べるということです。

ややこしくしてしまいましたが、
sigmundさんが回答されているのを
しらなかったもので．．．

- 0
- 件

通報する

No.1

回答者： siegmund
回答日時：2001/06/24 15:56

> 通常金属の場合熱伝導率は電気伝導率に比例して大きくなる

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．

超伝導体の場合は全く様子がちがいまして，
超伝導体は熱の不良導体です．
すこし荒っぽい言い方ですが，超伝導体の電気伝導は超伝導電子が担っていますが，
超伝導電子は熱を運びません．
熱を運ばないということが，実は電気抵抗ゼロと深く関わっています．

低温の実験では超伝導体を利用した熱スイッチというのがあります．
熱関係の実験では熱を与えり，断熱したりしたい，なんていうことがしばしばです．
熱源と試料との間を超伝導体で結んでおきます．
普通は超伝導になっていて熱はほとんど通さない．
熱を通したいときには磁場をかけて超伝導を壊す．
そうすると，通常金属になるから熱をよく通す，というわけです．
磁場をつくるコイルに(適当な)電流を流すかどうかで，
熱伝導をコントロールできます．

> 電気伝導率は超伝導の場合無限に大きいと思っていましたが...

有限の電流が流れても電圧降下がないのですから，
形式的には電気伝導率が無限大と思っても結構です．
ただし，超伝導体を単に電気伝導率無限大の完全導体と見るのは余りよい見方でなく，
内部に磁束が入らない完全反磁性という方がより基本的です．

- 0
- 件

通報する

この回答へのお礼

ご専門の立場からご回答いただきありがとうございました．今回始めてこのサイトに質問の投稿をさせていただきました．質問者の知識レベルや背景も明らかにしておく必要性を感じました。少し私のレベルもあがりました．

通報する

お礼日時：2001/06/25 23:17

お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう！

質問する（無料）

このQ&Aを見た人はこんなQ&Aも見ています

超伝導と超熱伝導

専門家回答数ランキング

専門家

※過去一週間分の回答数ランキングです。

質問する（無料）

他の専門家の回答をチェック

このQ&Aを見た人が検索しているワード

このQ&Aと関連する良く見られている質問

Q熱伝導率の測定で

熱伝導率の測定はすごく困難な事ですが、なぜ困難なのでしょうか？

Aベストアンサー

困難かどうかは「何と比べて」でないと意味がないと思いますが，
似たような量の電気伝導率と比べてみましょう．

まず，電気に比べて熱は漏れやすいことがネックです．
固体で，電気伝導率のいいものと悪いもの(要するに，導体と絶縁体)は
10の20数乗の違いがあります(超伝導は除く)．
一方，熱伝導率の方は10^5程度の違いです．
つまり，測ろうとしているもの以外への熱の漏れは電気の場合に比べて
桁外れに大きい．
さらに，熱は輻射によっても逃げますが，電気はそんなことは通常ありません．

熱...続きを読む

他の回答も見る

Q熱伝導率と電気伝導率の関連性について

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。

Aベストアンサー

　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。

他の回答も見る

Q熱伝導率の測定

どなたか、スポンジのようなすかすかの物質の熱伝導率の測定方法をご存じの方いらっしゃりましたら、どのような方法があるか教えて頂けないでしょうか？よろしくお願いします。

Aベストアンサー

私はプラスチック屋なので、羽毛みたいなものはわからないのですが、下記によると衣料用素材の測定法があるみたいですね。
http://www.fitc.pref.fukuoka.jp/kenkyugaiyou/ken_c11g.htm#1-1

参考URLの会社あたりで測定をやっていそうですので、問い合わせてみてはいかがでしょうか。

実際のところ、空気の流動まで考慮すると、厚さ依存性などの影響が極めて複雑になるため、かなり大雑把に試験しているのではないか、と愚推します。

参考URL：http://www.kayano-life.co.jp/kayano/woolbreath.html

他の回答も見る

Q超格子反射について(なぜ規則化金属間化合物となるのか？)

今、実験である金属の分析を行っているのですがTEM観察の結果、超格子反射を示す001のスポットが得られたため、B2型の規則化金属間化合物であると特定しました。ここで疑問なのですが、なぜ001(超格子反射)のスポットが存在すると規則化するのかがよく分かりません。分かるかたがいらしたらぜひ教えてください、お願いします。

Aベストアンサー

001(超格子反射)のスポットが存在すると規則化するのかは分かりません。
そのような事実があることも知りません。但し以下のような逆の場合なら判ります。
　”規則化すると超格子のスポットが認められる。”
これは規則化するということは、そこに元々の基本格子よりなる更なる規則性(超格子)ができることであり、その超格子からの電子線回折で超格子のスポットが認められるということで判りやすいのですが....
001(超格子反射)のスポットが認められた場合に、規則化していると判断することはできると思いますが....超格子反射を示す001のスポットが得られたたら必ず規則化しているかは定かではないような気もします。(大抵の場合は問題ないでしょうが、厳密にいえば超格子以外の別の要因で超格子反射を示す001のスポットが得られる可能性がないとは言い切れない気もします)

他の回答も見る

Q熱伝導率

固体の熱伝導率の測定方法についてはいろいろとあり，測定方法も納得がいく物なのですが，気体や液体などは，はかりたい物質そのものに熱を加えてしまうと測定対象の系のなかで温度勾配を生じてしまい対流が起こってしまうと思います．
そこで，この様な弱点を克服するような測定方法，または，これが気体・液体の熱伝導率の測定方法だっというものをご存じの方がいらっしゃいましたら，ご教授ねがいます．

Aベストアンサー

　固体の熱伝導率さえ測定したことはありませんので、推測で発言します。

　気体や液体の対流は、温度上昇により膨張して軽くなった部分が上昇して熱の運搬を行う現象です。従って、上部に加熱源、低部に廃熱側を置いて温度勾配を安定させれば、対流が起こらないように思います。

　空気の熱伝導率を測定する場合を考えます。断熱性のパイプを用意し、上部にアルミなどの金属製の蓋をし、ヒーターと温度センサを付けて加熱し温度を一定に保ちます。パイプの底部には、比較的熱伝導率の低い物、たとえばプラスチック、ろう、ガラスなどで熱伝導率が明らかな物質により厚めの蓋を作り、その上面と下面に温度センサを付けます。
　空気の熱伝導率をk1、底蓋の物質の熱伝導率をk2、空気層の高さをL、底蓋の厚さをd、上蓋、底蓋上面、底蓋下面の温度をそれぞれT1,T2,T3とすると、ヒーターを加熱し、定常状態になったとき、パイプ側面からの熱放散が無いと仮定すれば、
　k1(T1-T2)/L = k2(T2-T3)/d
が成り立つと思います。

他の回答も見る

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。

他の回答も見る

Q比熱と熱伝導率

比熱と熱伝導率の違いが本やウィキペディアを見てもはっきり分かりません。どなたか知恵をお貸しください。
比熱というのは与えた熱量⊿Q、質量ｍ、比熱ｃ、上昇した温度⊿Tの間には⊿Q＝ｍｃ⊿Tが成り立つので、比熱ｃ＝⊿Q/⊿Tは与えた熱量に対して実際にどれくらい温度が上昇したかという割合を指すのだと思いますがこれはまだ理解できます。しかし一方の、熱伝導率はウィキによると熱流束J、温度T、熱伝導率λとするとJ＝-λ∇Tと表せるのですが、λは熱流束Jを温度勾配∇Tで割った量とはどういう意味ですか？また何故負...続きを読む

Aベストアンサー

こんにちは。

比熱と熱伝導率は、一応、別なモノ、互いに無関係なものです。

比熱（熱容量) = 熱量の変化量/温度の変化量
記号で書くと、
　c = ΔQ/ΔT
で定義されます。
で、
　熱量の変化ΔQの符号が「プラス」ならば、熱を外部からもらう
　熱量の変化ΔQの符号が「マイナス」ならば、熱を外に放出した
となります。

で、熱流束Jというのは、
ある時間tの間に面積Aのある面を熱量Qが通過した時、これらには、
　J = (Q/t)÷A
という関係があります。
通過した熱量をΔQ、時間間隔をΔtとすれば、
　J = (ΔQ/Δt)/A
となります。
つまり、熱流束Jには、時間（tやΔt）と空間の要素（A）が加わっている。
で、このとき、面積Aをもった面に対して、熱量が入ってくるとき、Jの符号を「プラス」、熱量が出てゆくときを「マイナス」と定義します。
　「プラス」は、　Q→□
　「マイナス」は、Q←□
のイメージ。
□は、何かのモノだと思ってください。
そして、矢印は熱量Qの入ってくる、あるいは、出て行く方向くらいの意味です。

ということで、これが
～～～～～～～～
☆また何故負号があるのですか？
～～～～～～～～
の答えになります。
「熱は、温度の高い方から温度の低い方へ流れる」。
温度の高い方をTh、温度の低い方をTlとすると、
温度差（Th-Tl)の符号は「マイナス」、したがって、温度勾配も「マイナス」になります。
しかし、温度の高い方から低い方へ流入する熱の符号は、「プラス」。
符号が「マイナス」と「プラス」で合わないから、温度勾配に「-1」を掛けないと、辻褄が合わない。
なので、この辻褄合わせのために、温度勾配∇Tの前に「マイナス」の符号がつくんですよ。
「マイナス」がつくのは、辻褄合わせ（ニコニコ）。

温度の高い方を□、低い方を■であらわすと、熱の流れは、
　□→■
温度差(Th-Tl）はマイナスなので、温度勾配もマイナス。■に入ってくる熱をプラスにするためには、正負の符号を反転させる、つまり、温度勾配に「-1」を掛けないといけない。
はっきり言って、辻褄合わせです（ニコニコ）。

でですね、
熱流束Jというのは、電気の方でいいますと、電流（電流密度）に相当するもの。
熱量は、電荷量にあたります。
水の流れで言いますと、熱流束は、ホースを流れる水の単位体積、単位面積当たりの量（流量）、
熱量は、ホースの先につながっているバケツにたまっている水の量
になります。

～～～～～～～～～
温度計を入れて水温を測定する時に、熱源付近に配置した場合は比熱を測る事になり、熱源から離れた位置に温度計を置いて水温を測定した場合は熱伝導率を測る事になるのですか？
～～～～～～～～～
測っているのは、「温度」です。
熱伝導率や比熱は関係ありません。
熱伝導率を測定するためには、温度勾配と熱流束を測定しないと、求まりませんよ。
それに、水ですと、温度差が生じると、密度差が生じて、
結果、自然対流（熱伝達）が発生してしまい、熱伝導率を測れなくなってしまいます。

～～～～～～～～
どちらの測定も熱量を与えてある位置の温度変化の観察ですが、どうやって区別するのか分かりません。
～～～～～～～～
そら～、そうなりますよ。
この現象には、熱容量（比熱）と熱伝導率の両方が絡んでいますから。
さらに、温度計と測定する水との間で熱の授受の関係が発生しています。
しかも、自然対流（熱伝達）まで絡んでくるので、超～複雑な現象ですよ。

～～～～～～～～
また熱い水は水面の方へ溜まり易い理由は何ですか？
～～～～～～～～
温度が高くなると、一般に、密度が小さくなります。
軽いモノは、重いモノの上に登ってゆこうとするでしょう。
重いモノは、下に沈んで行く。
ですが、これは「重力」がある時の話です。
無重力場では、このような現象は起きません。
ですから、重力による自然対流をなくすために、
宇宙ステーションなんかで測定するといいのかも知れませんね～。

～～～～～～～
れは”高温の水”が上へ移動したという熱伝導率に関わる現象でしょうか？
～～～～～～～
”高温の水”とは、高い熱エネルギーを持った水のこと。
これが上に向かって移動しま～す。その穴を補う形で、低温の水がそこにやってきます。
ですから、
熱の移動（？）という観点からすれば、単純な（水が動かない時の）熱伝導とはメカニズムが大きく異なりま～す。
数学的にかなり難しい方程式（連立微分方程式、最低でも四つの微分方程式）を解かなければならなくなります。

他の回答も見る

Qやわらかくて熱伝導率の高い物質

こんにちは．
質問内容はタイトルの通りで，ゴムのようにやわらかくて熱伝導率が高い物質はないかと探しています．できれば熱伝導率が10(W/mK)以上のものがいいのですが．
私は素人なのでまったく見当がつきません．
ご存知の方いらっしゃいましたら，ご教授ください．
よろしくお願いします．

Aベストアンサー

ゴム状のもので10(W/mK)以上は市販されていないのかな？

パソコン用では色々ありますが、どれも希望の熱伝導率ではないです。

通販でも買える秋葉原の『千石電商』
http://www.sengoku.co.jp/Frame-CI.htm
その商品の製造元
http://ns1.suzukisogyo.co.jp/gi/remna/remna.html

信越化学工業のＨＰから
http://www.silicone.jp/j/products/rubber/index.html

シート状なら
「グラファイトシート」がダントツの熱伝導性能を示しているのですが。

他の回答も見る

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...続きを読む

他の回答も見る