電気伝導性と熱伝導性
特定の温度において、金属の熱伝導性と電気伝導性は比例関係にありますが、温度が上昇すると熱伝導性が増加し、電気伝導性は減少します。この振る舞いはヴィーデマン・フランツの法則で定量化されています。この法則によると、金属の熱伝導性(k)の電子的寄与と電気伝導性(σ)の比率は、温度(T)に比例します。質的に、この関係は熱と電気の両方の輸送が金属内の自由電子に関係していることに基づいています。電気伝導性は粒子の速度が増加すると減少しますが、これは衝突が電荷の前方輸送から電子を逸らすためです。しかし、熱伝導性は平均粒子速度の増加によって増加し、エネルギーの前方輸送を増加させます。ヴィーデマン・フランツの法則は高温でよく遵守されます。しかし、低温及び中温域では、荷電キャリアの非弾性散乱のためにこの法則は成立しません。電気伝導性と熱伝導性の一般的な相関関係が他の材料では成立しないことに注意する必要があります。これは非金属での熱の伝達におけるフォノンキャリアの重要性が増すためです。
電気伝導性
電気伝導性は、材料が電流を伝導する能力を表す物理的特性です。電気伝導性のSI単位はシーメンス毎メートル(S/m)です。材料の電気伝導性は、電荷キャリア(電子やイオンなど)の密度と移動性、材料の構造、温度、およびその他の環境要因によって決定されます。高い電気伝導性を持つ材料(金属や特定の塩類や溶液など)は、電流を最小限の抵抗またはエネルギー損失で運ぶために、電気および電子アプリケーションで一般的に使用されます。電気伝導性が低い他の材料(絶縁体や半導体など)は、電荷の流れを制御または操作できるアプリケーションで使用されます。
熱伝導性
ほとんどの液体と固体の熱伝導性は温度によって変化し、気体の場合は圧力にも依存します。一般に、金属は固体であり、結晶構造を持っています。この構造では、イオン(核とその周りのコア電子の殻)が結晶格子内で移動同等の位置を占めます。一般に、金属は高い電気伝導性、高い熱伝導性、および高密度を持ちます。したがって、熱エネルギーの輸送は、自由電子の移動および格子振動波(フォノン)の二つの効果によるものです。