炭素棒の抵抗

質問

金属の抵抗は温度があがるほど大きくなると習いました。
たしか、金属の場合は原子の熱運動が自由電子の移動をじゃまするから
抵抗が大きくなると習ったような気がします。

炭素棒（鉛筆の芯）では逆の結果の温度が高くなるほど抵抗が小さくなります。
どうしてですか？
回答よろしくお願いします。

回答No.1

Umada · ベストアンサー

物質の電気抵抗(抵抗率)はおっしゃるように温度とともに変化します。
温度を上げた場合、物質の電気伝導に関しどのような変化が起きるかですが
(1)原子(結晶格子)の熱的な振動が激しくなり、自由電子を散乱させる　(↓)
(2)励起されて生じる自由電子の数が増える　(↑)
(3)自由電子のエネルギー分布が全体に高エネルギー側にシフトし、不純物散乱を受けにくくなる　(↑)
などがあります。それぞれの項目の最後に付けた(↓)(↑)は、それぞれ伝導率を下げる要因・上げる要因であることを示します。(抵抗率で考えれば当然その逆です)

実際の物質では(1)～(3)の兼ね合いがあるため、抵抗率の温度変化の現れ方はさまざまです。
金属はbuchurinさんのおっしゃるように温度とともに抵抗率は上がります。金属の場合初めから励起は十分になされていて、温度を上げても自由電子はそれ以上ほとんど増えません。すなわち(2)の効果はほとんどなく、それに対し(1)の熱的な振動による散乱だけが大きくなるために、トータルとして抵抗率が上がるわけです。
一方、これもご承知かと思いますが半導体は温度を上げると抵抗率が下がります。これは(2)の効果が(1)より大きいことによります。

では炭素(グラファイト)の場合どうなのか?　グラファイトは(2)の要素があるために、ある温度範囲においては温度を上げるほど抵抗が下がると考えられます。参考ページ[1]をご覧ください。

【補足】参考ページ[1]では「100[K]を超えた付近から抵抗率ρの増加が抑えられる」とだけ記されています(ρそのものが下がるとの記述がない)。一方、黒鉛メーカーの製品紹介ページ(例えば[2])を見ると確かにρは減少にまで転じています。これらは本質的に同じ要因(上記の(2))によると思われますが、完全に同一であるか確認するまでには至りませんでした。そのような理由で回答を「自信なし」にしました。すみません。

[1] http://www.appi.keio.ac.jp/ohashi/graphite1.htm
[2] http://www.tokaicarbon.co.jp/products/yakin01.shtml

参考URL：

http://www.appi.keio.ac.jp/ohashi/graphite1.htm, http://www.tokaicarbon.co.jp/products/yakin01.shtml

お礼

回答ありがとうございます。
十分理解できたとはいかないまでも、
自分で満足できる程度に理解できました。
おかげさまで、すっきりできました。
ありがとうございます。

回答No.2

eiectron

難しい事を言っても、分らないと思いますので、理解の仕方を話したいと思います。
　炭素は、金属の良導体には入りません。金属の特徴は、自由電子が充満していて、叩くと伸びる性質の物につけていますから。
　炭素は、－電気を持った4つの独身電子が1番外側の軌道を回っていて、自転する事によって、ミクロの磁石になっていて（化学では手などと呼んでいます）、この磁石の手で互いに結合し、ダイヤモンドになったリ、すすになったり、ナノチューブ（管）になったり、木炭（手のつなぎ方で、様々な構造の炭素の塊（木炭、備長炭、油煙、・・）になります。炭素原子の4つの手に水素がくっつくと、メタンに、酸素2個とくっつき２酸化炭素、3個のひも状炭素の周りに水素がくっつくと、プロパンガスに、８個、９個、１０個、・・・の炭素の紐の周りに水素がくっついて混じったものが石油です。
　金属の様に、自由電子がありません。鉄に混ぜて鉄の性質も変えます。
　このように、炭素は、様々な結合の仕方をし、色々な他の原子（不純物）と結びつき、半導体的性質を持ちます。
　半導体は、４個の手の中に、手ぶらの独身電子が、あちこちに、点在し、温度が高くなると、そのエネルギーを吸収して元気になり、原子核の束縛を振り切って飛び出し、ふらつき、自由電子になるものが温度が高くなるほど増加します。電圧が加えられていると、電流になって流れます。電流が多くなると言う事は、電気抵抗が小さくなろことです。これが、半導体の性質です。不純物が多いと、てぶらの電子が増え、熱によって原子から飛び出し、電流になる自由電子が増えます。
　炭素の塊を作る焼き方で、様々な結晶構造になります。
ダイヤモンドのような結晶（手の組み方）をすると、すすグラファイトと全然違った美しい宝石になり、絶縁物になります。ひも状炭素の全ての手に水素がくっついた、ポリエチレンになっても、手ぶらの炭素の手がないから、温度が上がっても抜け出す独身電子が居ないから、絶縁物になります。
　鉛筆の芯は不純物が混じっているのだと思う事と、焼き方による、手の結合の仕方が不規則と考えられ、半導体的性質になっていると考えられます。
　温度が高くなると、抵抗が小さくなるのが半導体だから、これと同じ現象を示す鉛筆の芯は、半導体の性質の構造をしていると考えるとよい。
　こんがらかってきたので、これで終わりにします。

お礼

ありがとうございます。
理解の助けになりました。