融点を超えた金属に電流は流れますか？

質問

金属が導体であるのは、その結晶に自由電子が生じるからだそうですが、液体の状態でも電流はながれるのでしょうか？
それとも、液体でも結晶なのでしょうか？？
（高温で抵抗が大きくなるというのは予想できるのですが、別問題ですよね。）
また、水銀はどうなるのでしょう？

回答No.3

siegmund · ベストアンサー

純金属や合金を融かしたものでは(液体金属)電流が流れます．
大体，金属ということを特徴づけることの一つが導電性ということですね．
液体金属の電気抵抗率は 10^(-6)～10^(-7) [Ω・ｍ] のあたりで，
通常の金属と同程度です．

二人の方が述べられている水銀は常温で液体である唯一の金属元素です
(常温で液体である元素は他に臭素しかありませんが)．
インジウムとガリウムの合金は融点が室温より低く(値は忘れました)，
それら２つの金属を接触させると，そこのところから融けて液体になっていきます．

daraberu さんが書かれている Bi は半金属，Ge (Si も)は真性半導体ですが，
どれも融解させると金属的になります．

電子の移動による電気伝導が生ずるためには
(1) 分子内に束縛されずに結晶(あるいは液体)全体に広がった自由電子が存在すること．
(2) その自由電子が電流を運べる状況にあること
この２つが条件です．

例えば NaCl みたいなものですと，
電子は NaCl 分子に強く束縛されていてほとんど動けませんから，
(1)が満たされません．

Ge では，自由電子(本当はこの用語の使い方は正確さを欠きますが...)が存在しますが，
この自由電子が電子の抜けた後の正イオン(周期的に並んでいる)の影響を受けます．
この影響によって，電子の取りうるエネルギーに制限が生じ，
「こういうエネルギーの電子はありえません」というようなことになります．
半導体のバンド構造などといわれるのはこういうことです．
で，不幸にして(？)，電流を運ぶのに「ありえないエネルギーの電子」が
必要な状況ですと，電流がほとんど流れません．
外からちょっと不純物を入れてやって状況を少し変えますと，
電流が流れるようになります．
純粋にした Si にちょっと不純物を入れて...，などの半導体の話はこういうことです．

さて，液体にしましても自由電子が存在するかどうかにはほとんど影響はありません．
つまり，条件(1)は結晶か液体かにあまり関係ありません．
ところが，条件(2)の方は，液体にすると正イオンが周期的に並んでいるという状況が
なくなってしまいます．
すなわち，「こういうエネルギーの電子はありえません」ということが
なくなります．
したがって，前項の「不幸(？)な状況」もなくなり，
結晶では半導体だった Si も融けると金属的になるのです．

> 液体でも結晶なのでしょうか
液体は結晶ではありえません．
なお，液晶の様な話はここでは考えていません．

> 高温で抵抗が大きくなるというのは予想できるのですが、別問題ですよね
おっしゃるとおり，別問題です．
高温で抵抗が大きくなるのは，正イオンの格子振動が大きくなるため，
電子の電場方向の移動が強く妨げられるからです．

お礼

非常に詳しい解説ありがとうございました。
私にはちと難しすぎる部分もあるのですが、
本には「金属が結晶となるとき自由電子が生じ、そのため電気が流れ易くなる」
とあるのですが、「結晶か液体か」に関係ないのなら、
こんな書き方しなきゃいいのに…。
便宜上なのかなぁ？

　本当にありがとうございました。

回答No.2

daraberu

水銀の場合、常温で液体であることは誤ご存知
の事と思います。
このように、流動性を除けばその性質が金属
状態と変わらないものを、液体金属といいます。
BiやGeも融点以上で、こう言った液体金属に
なります。なぜ、こう言った液体物質にも電流
がながれるかという量子力学的な解明は、いま
だに研究されていると思われます。

液体の状態でも電流は、電圧をかなりかければ
電流はながれるでしょう。しかし、普通の金属
が液体となった状態で、上記であげた物質以外
が導体的性質をもつかというのは別問題だと思
います。

お礼

なるほど、まだ解明されていない部分を含んでいる話なのですね。
だから、私の見た本は「金属が結晶状態で導体となる説明」だけをしてたのかなぁ？

　ありがとうございました。

回答No.1

oodaiko

水銀についてだけ回答致します。
水銀は立派な電気の導体です。
半導体の整流器が普及する以前には水銀整流器というものが使われていましたし、
現在でもリードリレーの一種で接点の信頼性をあげるため水銀を電極に使った
水銀リレーというものがあります。
液体の水銀なら個体の電極と違って接触不良はあり得ませんからね。

お礼

なるほど、勉強になりました。
ありがとうございました。