電気伝導体：特性、材料、用途、安全性と絶縁体・半導体との違い

主な特性

物質がどの程度容易に電荷を運ぶかは電気伝導率で表され、流れに対する抵抗の度合いは電気抵抗率で表される。伝導率と抵抗率は互いに逆の関係にあり、伝導率が高いほど抵抗率は低い。大半の金属伝導体では、温度が上がると結晶格子の振動が電荷担体を散乱するため、抵抗率が増加する。これに対し、超伝導体は臨界温度以下で実質的に電気抵抗がゼロになる特殊な材料である。

代表的な伝導体材料

日常用および産業用の伝導体は、伝導率、機械的強度、耐食性、コストを考慮して選ばれる。代表例には次のものがある。

• 銅 — 電力配線および信号配線に広く用いられる。
• アルミニウム — 軽量であり、架空送電線に使用される。
• 銀と金 — 非常に高い伝導率をもち、特殊な接点や耐食性が求められる接点に使われる。
• 水 — とくに溶解した塩類を含む場合に電気を通す。純水は導体としては不良である。
• 生体組織や人体の構成要素などの生物学的材料 — 体液中のイオンにより伝導する。
• 金属全般 — 鉄を含み、電力配電システムの基盤となる。

用途と例

伝導体は、電流を制御して移送する必要がある場所で使用される。用途には建物内の配線、送電、接地、母線、電子機器の相互接続がある。柔軟な伝導体やケーブルは、電線や多芯の組立体として形成される。高温または電離した環境では、電離気体やプラズマが優れた伝導性を示すことがあり、蛍光灯やプラズマトーチなどの装置で利用される。

安全性、絶縁および取扱い

一般的な材料の多くが電気を通し得るため、安全を確保するには、通電中の導体への意図しない接触を防ぐことが重要である。電荷の流れを妨げる材料を絶縁体と呼び、電線は通常、プラスチックなどのポリマー製絶縁被覆で覆われる。不純物を含む液体は、溶存イオンによって電流が流れやすい場合が多いため、電気機器の近くに水があることは危険となる。

区別と注目すべき事実

すべての物質が単純に導体と絶縁体の二分法に収まるわけではない。半導体は中間的な領域を占め、その伝導率は温度、不純物（ドーピング）、印加電場に強く依存する。半導体は現代のエレクトロニクスの基礎をなしている。超伝導体における極低温、またはプラズマにおける非常な高温といった極端な条件では、材料は質的に異なる伝導挙動を示すことがある。金属中の自由電子、溶液中のイオン、半導体中の電荷担体といった微視的機構を理解することは、用途に適した伝導体を選ぶうえで不可欠である。