전기 전도성
전기 전도성은 재료가 전기 전류를 전달할 수 있는 능력을 나타내는 물리적 특성입니다. 전기 전도성은 특정 전류가 흐르기 위해 필요한 전압의 양으로 정의됩니다. 전기 전도성의 SI 단위는 시멘스/미터(S/m)입니다. 구리, 알루미늄, 은, 금과 같은 금속들은 그들의 높은 전기 전도성으로 잘 알려져 있으며, 전기 및 전자 분야에서 자주 사용됩니다. 이는 이러한 재료들이 개별 원자에 결합되지 않은 많은 자유 전자를 가지고 있고, 재료를 통해 자유롭게 움직일 수 있기 때문입니다.
전기 전도성의 결정 요인
전기 전도성은 전하 운반체(전자나 이온 등)의 밀도 및 이동성, 재료의 구조, 온도 및 기타 환경 요인 등 여러 요소에 의해 결정됩니다. 전기 전도성이 높은 재료들은 전기 전류를 최소한의 저항이나 에너지 손실로 전달할 수 있으므로 전기 및 전자 분야에서 자주 사용됩니다. 반면에, 절연체와 반도체와 같이 전기 전도성이 낮은 재료들은 전하 흐름을 제어하거나 조작하는 데 사용됩니다.
전기 전도성과 저항성
전기 전도성은 저항성과 밀접하게 관련되어 있습니다. 이는 다음 공식으로 표현됩니다: σ=1/ρ, 여기서 σ는 전도성(단위: m/Ohm), ρ는 저항성(단위: Ohm/m)입니다. 전선의 저항을 결정하기 위해 다음 공식을 사용합니다: R=ρAl=1/σAl, 여기서 A는 전선의 단면적(단위: m2), l은 길이(단위: 미터)입니다.
전기 전도성과 재료
전기 전도성은 대부분의 전자가 외부 껍질에 존재하는 재료에서 쉽게 생성되는 이동성 전자의 수에 의해 크게 결정됩니다. 또 다른 요인은 전기장에 반응하여 쉽게 움직일 수 있는 전자의 수를 결정하는 단위 부피당 원자의 수입니다. 전기 전도성이 높은 재료는 주로 금속 및 합금뿐만 아니라 일부 종류의 염류 및 용액입니다.
전기 전도성에 따른 재료 분류
재료는 전기 전도성에 따라 다음과 같이 분류될 수 있습니다:
전도체: 금속 및 일부 용액과 같이 높은 전기 전도성을 가진 재료입니다.
절연체: 플라스틱, 고무, 유리와 같이 낮은 전기 전도성을 가진 재료입니다.
반도체: 전기 전도성이 중간 수준인 실리콘, 게르마늄과 같은 재료입니다.
초전도체: 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 제로인 재료입니다.
이온 전도체: 이온을 통해 전기를 전도하는 일부 염류 및 전해질입니다.
가장 높은 전기 전도성을 가진 재료
가장 높은 전기 전도성을 가진 일곱 가지 재료는 다음과 같습니다:
은
구리
금
알루미늄
텅스텐
백금
황동
전선에서 전자의 흐름
전도체에 전압이 가해지면 전기장이 생성되어 전자들이 특정 방향으로 움직이게 합니다. 그러나 전자들은 직선으로 움직이지 않고 전도체의 원자와 충돌하면서 무작위로 움직이며 에너지를 잃고 무작위 방향으로 흩어집니다. 이러한 무작위 움직임은 전자의 흐름에 저항을 만들어내며, 전기장의 일부 에너지가 열로 변환됩니다.
전기 및 열 전도성
주어진 온도에서 금속의 열 및 전기 전도성은 비례 관계에 있지만, 온도가 상승하면 열 전도성은 증가하지만 전기 전도성은 감소합니다. 이는 비트만-프란츠 법칙으로 표현됩니다. 이 법칙은 금속의 전자 기여 열 전도성(k)과 전기 전도성(σ)의 비율이 온도(T)에 비례한다고 설명합니다.