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導体と絶縁体 導体： 電荷が通過しやすい伝導性物質 絶縁体： 電荷が通過しにくい非伝導物質 周期表 原子が小さくなる イオン化エネルギーが増大する H Li He Be Na Mg K Ca Sc Rb Sr Y Cr Mn Fe Ti V Zr Nb Mo Tc Co Ni Ru Rh Pd Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns 金属 Uno Pt B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Une 半金属 非金属 エネルギーの最も高い最外殻電子 Na原子 陽子11個 最外殻の軌道に居る 電子は最もエネルギ ー状態が高い。原子 核との結合は最も弱 い。最外殻電子は、 外部からエネルギー をもらうと、この原子 から離脱してしまう。 離脱した電子は自由電子 と呼ばれ、電気伝導の担 い手になる。 金属はよい導体である 金属元素が結晶を作ると、 最外殻の電子軌道の裾野 に重なりあいができてくる。 金属原子の外殻に、ゆる く結合された電子が、電 気伝導の担い手になる。 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ 金属はよい導体である 伝導電子は金属原子全てにゆるやか に共有されている。 金属では、多数 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ の伝導電子の ＋ 海に中に、イオン ＋ ＋ ＋ ＋ （Na+等）が浮いて ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ いるような感じ。 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ゆるやかに結合された伝導電子は、 少しだけエネルギーを得ると、金属内を 全く自由に動き回れるようになる。 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 摩擦や常温の熱 などのわずかな エネルギーで、原 子核からの引力 の拘束を逃れて しまう。 絶縁体の原子の特徴 絶縁体では、電子が原子核に強く結合されている。そ のため、所属する原子を離脱して、原子の間を移動し ていくことができない。 ＋ － Ne原子（非金属） ＋ － ＋ － ＋－ ＋ － － ＋ － ＋ － ＋ ＋ － －＋ ＋－ ＋ － ＋ － ＋ － － ＋ － ＋ 電子が存 在できる エネルギ ー領域： エネルギ ーバンド 電子のエネルギーレベル 電子のエネルギー領域 バンドギャップ：電子 が存在できないエネ ルギー状態 空き 空きのある軌道 （電子が動き出せる） 電子が詰まっているエネ ルギーの低い電子軌道 （電子は脱出できない） 電子のエネルギーレベル 絶縁体でのエネルギーバンド 伝導帯 電子が電気伝導の担い手に なって、原子の間を動き回れ るエネルギーバンドに入るた めには、最外殻電子も大きな エネルギーを吸収せねばなら ない。 ～5eV 最外殻の電子軌道にも電子 が詰まっている。外部から少 々電場がかかっても、電子 はこれらのバンドから脱出で きない。 電子のエネルギーレベル 金属でのエネルギーバンド 伝導帯 金属元素の最外殻エネルギ ーバンドは最外殻電子によ って一部しか満たされてい ない。 最外殻電子は、常温の熱エ ネルギーなどによって自由に 金属中を運動していける。 内側の電子軌道の電子が満 たしているエネルギーバンド。 電子のエネルギーレベル 半導体でのエネルギーバンド 伝導帯 半導体はバンドギャップが狭い！ 絶対0度では絶縁体と同じ電子配 置。バンドギャップが狭いので、温 度が高くなるにつれ、熱エネルギ ーによって電子は高いエネルギ ーバンド（伝導帯）に入り、電気伝 導を担えるようになる。 半導体に低濃度の不純物を入れると、バンドギャップの中に新しい エネルギー準位が生じて、電子が移動できるようになる。 絶縁体に電荷を帯びた（帯電した）物体が 近づくと、電子の分布が偏る！ ＋ ＋ ＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 正に帯電した物体を近づける ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 電子の分布が偏った絶縁体と、帯電物体 との間に引力が生じる ＋ ＋ ＋ －＋ － ＋ － ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 正に帯電した物体 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 引力 －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ －＋ 負に帯電した風船が絶縁体の壁に近づくと、壁の分 子の中で、電子の分布が風船の負電荷を避けるよう に偏りができる。 負に帯電した風船 － － ＋ ー － － ＋ － ＋ － － － ＋ － － ＋ － － － － ＋ ー 風船が接近して、 ＋ ー 部分的に分極し た壁 ＋ ー ＋ ー ＋ ー 電子分極：電子が原子核に対して 平均としてずれる。電子密度が偏る。 － ＋ － ＋ 導体に帯電物体が接近すると、導体内の 電荷の移動が起きる。 負に帯電 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 正に帯電した物体 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ ＋ － －－ － ＋ － ＋ － － － 引力発生 － ＋ ＋ － － － －＋ － ＋ 正に帯電 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 純水の電気伝導 純水中では電子は水分子にランダムに散乱されて 自由に移動できない。従って純水は電気伝導性が低い。 イオン化合物 周期表の左側の元素は最 外殻電子を放出しやすい。 周期表の右側の元素は電子を 捉えて負イオンになりやすい。 H Li He Be Na Mg K Ca Sc Rb Sr Y Cr Mn Fe Ti V Zr Nb Mo Tc Co Ni Ru Rh Pd Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une Pt B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn イオン結合 異符号の電荷を持つイオン同士が電気的引力で 結合するのがイオン結合。 電子を放出しやすい Naイオン 電子を取り込みやすい Clイオン 電解液の電気伝導 純水中にイオン化合物が溶けると、電子を束縛しやすい 元素は正イオン、電子を放出しやすい元素は負イオンに なり、それぞれ帯電する。これらが電気伝導を担う。 空気の電気伝導 • 空気は空気中の電子をランダムに散乱す る。従って、通常は空気は不導体。 • しかし、強い電場がかかると、電子が加速 され、気体分子に激しく衝突することがあ る。この衝撃で、多くの気体分子から電子 が飛び出し、電場に加速されていく。これ を放電現象とよぶ。放電によって気体にも 電気伝導性が現れる。