物理基礎:電磁気学第3講 導体・不導体と自由電子

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今回は導体・不導体について学習します。

 

金属といった、電気を通す物体のことを導体といいます。

一方で、紙やゴムといった、電気を通さない物体のことを不導体(絶縁体)といいます。

 

なぜ物体によって電気を通す・通さないという違いが生まれるのか、理由を考えたことはありますか?

これには、自由電子が深く関係しています。

ここでは、この違いが生まれる理由を自由電子をもとに考えていきましょう。

 

「電気を通す」とは?

そもそも「電気を通す」とはどういうことでしょうか?

物体が「電気を通す」とは、物体に電流が流れることができるということです。

 

では、電流とは一体何でしょうか?

これは中学で習いましたね。電流とは「電子の流れ・動き」のことです。(中学でも習いましたが、電流の向きと電子流れる・動く向きは逆です)

電子の流れ

以上のことをまとめると、物体が「電気を通す」とは、

物体中の電子が自由に流れる・動くことができる

ということなのです。

 

電気を通す物体(=導体)中には、この自由に動ける電子が無数にあるのです。

 

自由電子

導体には無数の自由に動ける電子があるといいました。この自由に動ける電子のことを自由電子といいます。

 

電子は原子核の周りをまわっており、そこから離れて自由に動くことはできません。原子核から引力を受けているからです。

 

金属といった導体を構成する原子の周りにも電子がまわっていますが、一部の電子を放して陽イオンになりやすいという性質があります。(中学理科でCu\(^{2+}\)やAg\(^{+}\)などの陽イオンを習いましたね。)

この放出された電子が自由電子なのです。

そして、自由電子の流れが電流となるのです。

 

導体・不導体

ここまで見てきたように、電気を通す・通さないには自由電子が大きくかかわっています。

 

導体には自由電子の数が無数にあり、それらが電流のもととなります。

しかし、不導体(絶縁体)には電流のもととなる自由電子がほとんどないため、電気を通さないのです。

導体と不導体

導体の例としては、金属以外にも黒鉛(グラファイト)があります。

不導体の例としては、紙やゴムなどがあります。

 

まとめ

今回のまとめをします。

 

    • 「電気を通す」=自由に動ける電子(自由電子)がある
    • 自由電子の流れ ⇒ 電流
    • 導体:自由電子が無数にある ⇒ 電気を通す
    • 不導体(絶縁体):自由電子がほとんどない
      ⇒ 電気を通さない

 

今回は導体・不導体について学びました。
次回も導体・不導体に関する内容で、静電誘導・誘電分極というものを学びます。