温度は電気伝導率と熱伝導率に影響しますか?

電気導電性yとして立っている基本パラメータ物理学、化学、現代工学において、幅広い分野に重要な影響を与えている。大量生産から超精密マイクロエレクトロニクスまで、その重要性は数え切れないほどの電気システムや熱システムの性能、効率、信頼性に直接的に関わっています。

この詳細な解説は、電気伝導率（σ）、熱伝導率（κ）、温度（T）さらに、銀、金、銅、鉄、溶液、ゴムなど、一般的な導体から特殊な半導体や絶縁体に至るまで、多様な材料クラスの導電性挙動を体系的に探求し、理論的な知識と実際の産業応用とのギャップを埋めます。

この本を読み終えると、あなたは力強く、ニュアンスに富んだ理解を身に付けることができるでしょう。のその温度、伝導率、熱の関係.

目次：

1. 温度は電気伝導性に影響しますか?

2. 温度は熱伝導率に影響しますか?

3. 電気伝導率と熱伝導率の関係

4. 導電率と塩化物：主な違い

I. 温度は電気伝導性に影響しますか?

「温度は導電性に影響しますか？」という質問に対する答えは、明確に「はい」です。温度は、電気伝導性と熱伝導性の両方に、材料に依存する重要な影響を及ぼします。電力伝送からセンサーの動作まで、重要なエンジニアリング アプリケーションでは、温度とコンダクタンスの関係によって、コンポーネントのパフォーマンス、効率マージン、および動作の安全性が決まります。

温度は導電性にどのように影響しますか?

温度によって伝導率は変化するどれほど簡単に電子やイオンなどの電荷キャリア、あるいは熱が物質中を移動します。その効果は物質の種類によって異なります。ここでは、その仕組みを分かりやすく説明します。

1.金属：温度上昇とともに導電性は低下する

すべての金属は、常温では容易に流れる自由電子を介して伝導します。加熱されると、金属原子の振動が激しくなり、この振動が障害物のように作用して電子を散乱させ、流れを遅くします。

具体的には、電気伝導率と熱伝導率は温度上昇とともに着実に低下します。室温付近では、伝導率は通常1°C上昇ごとに約0.4%。対照的に、80℃の上昇が起こると、金属は失われる25～30%本来の導電性を取り戻します。

この原理は工業プロセスで広く採用されており、たとえば高温環境では配線の安全な電流容量が低下し、冷却システムの放熱が低下します。

2. 半導体の場合：導電性は温度とともに増加する

半導体は、材料構造中に強く結合した電子から成ります。低温では、電流を流すために移動できる電子はごくわずかです。温度が上昇すると、熱によって電子が自由になり、流れ出すのに十分なエネルギーが与えられます。温度が上昇するほど、利用可能な電荷キャリアの数が増えます。導電性が大幅に向上します。

より直感的に言えば、c導電率は急激に上昇し、通常の範囲では 10 ～ 15°C ごとに 2 倍になることがよくあります。これは適度な暖かさではパフォーマンスに役立ちますが、熱くなりすぎると（過剰な漏れ）、たとえば半導体で構築されたチップが高温になるとコンピューターがクラッシュするなど、問題が発生する可能性があります。

3. 電解質（電池内の液体またはゲル）の場合：熱によって導電性が向上する

温度が溶液の電気伝導性にどのような影響を与えるのか疑問に思う方もいらっしゃるかもしれません。その点についてご説明します。電解質は溶液中を移動するイオンを伝導しますが、低温では液体の粘度が上がり、流動性が悪くなるため、イオンの移動速度が遅くなります。温度が上昇すると液体の粘性が低下するため、イオンの拡散速度が速くなり、電荷をより効率的に運ぶことができます。

全体として、あらゆるものが限界に達すると、導電率は1℃ごとに2～3%増加します。温度が40℃以上上昇すると、導電率は約30%低下します。

この原理は現実世界でも発見できます。たとえば、バッテリーなどのシステムは暖かい場所では充電が速くなりますが、過熱すると損傷するリスクがあります。

II. 温度は熱伝導率に影響しますか?

熱伝導率、つまり物質中を熱がどれだけ容易に移動するかの尺度は、通常、ほとんどの固体では温度が上昇するにつれて低下しますが、その挙動は物質の構造と熱の伝導方法によって異なります。

金属では、熱は主に自由電子を介して流れます。温度が上昇すると、原子の振動が強くなり、これらの電子が散乱してその経路が乱され、材料の効率的な熱伝達能力が低下します。

結晶絶縁体では、熱はフォノンと呼ばれる原子の振動を介して伝わります。温度が上昇すると、この振動が強まり、原子間の衝突頻度が増加し、熱伝導率が著しく低下します。

しかし、気体では逆のことが起こります。温度が上昇すると、分子の動きが速くなり、衝突の頻度が増し、衝突間のエネルギー伝達がより効率的になるため、熱伝導率は増加します。

ポリマーや液体では、温度上昇によってわずかに改善されることがよくあります。温度が上昇すると分子鎖がより自由に動き、粘度が低下するため、熱が材料を通過しやすくなります。

III. 電気伝導率と熱伝導率の関係

熱伝導率と電気伝導率の間に相関関係はあるのでしょうか？と疑問に思う方もいるかもしれません。実際には、電気伝導率と熱伝導率の間には強い相関関係がありますが、この相関関係は金属などの特定の種類の材料にのみ当てはまります。

1. 電気伝導率と熱伝導率の強い関係

純金属（銅、銀、金など）の場合、簡単なルールが適用されます。材料が電気伝導性が非常に優れている場合、熱伝導性も非常に優れています。この原理は電子共有現象に基づいて進行します。

金属では、電気と熱は主に同じ粒子、つまり自由電子によって運ばれます。そのため、高い電気伝導率は、場合によっては高い熱伝導率につながります。

のためにその電気流れ、電圧が加えられると、これらの自由電子は電荷を運びながら一方向に移動します。

となるとその熱流れ金属の一方の端は熱く、もう一方の端は冷たく、これらの同じ自由電子は熱い領域でより速く動き、より遅い電子にぶつかって、エネルギー（熱）を冷たい領域に素早く伝達します。

この共通のメカニズムは、金属が移動性の高い電子を多く持つ（優れた電気伝導体となる）場合、それらの電子は効率的な「熱キャリア」としても機能し、正式には次のように説明される。そのヴィーデマン・フランツ法.

2. 電気伝導率と熱伝導率の弱い関係

電荷と熱が異なるメカニズムで運ばれる材料では、電気伝導率と熱伝導率の関係は弱まります。

IV. 導電率と塩化物：主な違い

電気伝導率と塩化物濃度はどちらも重要なパラメータであるが、水質分析それらは根本的に異なる特性を測定します。

導電率

導電率は溶液の電流伝導能力の尺度です。tは測定しますすべての溶解イオンの総濃度水には、正に帯電したイオン（陽イオン）と負に帯電したイオン（陰イオン）が含まれています。

塩化物イオン（Cl^-）、ナトリウム（Na⁺）、カルシウム（Ca²⁺）、重炭酸塩、硫酸塩が総導電率mに寄与する。マイクロシーメンス/センチメートル (µS/cm) またはミリシーメンス/センチメートル (mS/cm) で測定されます。

導電率は、迅速で一般的な指標ですの合計溶解固形物(TDS) および全体的な水の純度または塩分濃度。

 塩化物濃度（Cl^-)

塩化物濃度は、溶液中に存在する塩化物アニオンのみを測定するものです。それは、塩化物イオンのみの質量（Cl^-）が存在し、塩化ナトリウム（NaCl）や塩化カルシウム（CaCl）などの塩に由来することが多い。₂).

この測定は、滴定法（例えば、銀滴定法）やイオン選択電極（ISE）などの特定の方法を使用して行われます。ミリグラム/リットル（mg/L）またはパーツ/百万（ppm）で表します。

塩化物レベルは、産業システム（ボイラーや冷却塔など）の腐食の可能性を評価したり、飲料水供給における塩分侵入を監視したりする上で重要です。

簡単に言えば、塩化物は導電性に貢献しますが、導電性は塩化物に特有のものではありません。塩化物濃度が増加すると、総導電率も増加します。ただし、総導電率が上昇した場合は、塩化物、硫酸塩、ナトリウム、またはその他のイオンの組み合わせの増加が原因である可能性があります。

したがって、導電率は有用なスクリーニング ツールとして機能します (例: 導電率が低い場合は塩化物も低い可能性があります)。ただし、腐食や規制の目的で塩化物を監視するには、対象を絞った化学テストを使用する必要があります。