電球が光るのは？

質問

フィラメントに電流を流すと、発熱する。
分かりません。
温度が上がると、発光する。
これも分かりません。
それ以前に、抵抗は、なぜ抵抗になっているんですか？

自分自身も何を問えば良いのか分からず、漠然としてしまいました。

回答No.3

siegmund

普通の金属で話をしましょう．
原子は原子核と電子からできていますが，金属では一部の電子が原子核の束縛を離れて
金属全体を動き回っています
(本当は「動き回っている」はいい表現ではないのですが，それはおいときましょう)．
この電子を自由電子と言っています．
で，金属に電場がかかると自由電子が電場と逆方向に流れて(電子の電荷は負ですから)，
それが電流だというわけです．

では，どうして電気抵抗が生ずるか？
一部の電子が抜けた原子はその分正に帯電しています．
これがイオンで，イオンは格子を組んでいるので流れたりしません．
電子の電荷は負ですから，電子とイオンはクーロン力で互いに作用しあいます．
tooff さんは「陽子と電子はぶつかったりしません。電子の動きを邪魔するだけです」
と書かれていますが，量子力学では衝突，散乱，相互作用は同じことですから
(微妙な使い分けはありますが)，
toof さんの表現にはちょっと賛成できません．

では，自由電子がイオンにぶつかって(イオンと相互作用して)それが電気抵抗の
原因になるのか？
いかにも納得できそうな話ですが，実はそうなっていません．
イオンが周期的に並んでいる限り，
イオンと電子との相互作用は電気抵抗の原因にならないことが知られています．
これはブロッホ(Bloch)の定理と呼ばれています．

電気抵抗の原因になるのは，イオン格子の周期性からのずれです．
大きな原因は二つあって，一つは不純物，もう一つはイオンの格子振動です．

不純物には，文字通り他のものが混ざっているということの他に，
格子欠陥などでイオン格子の周期性が破れていることも含まれています．
合金は一般に純金属より電気抵抗が大きいのですが，その主要な原因はこのことです．

イオンの格子振動は温度が高くなるほど激しくなります．
金属で温度が高くなると電気抵抗が大きくなるのはこのためです．
なお，半導体では温度が高くなると電流を運ぶ自由電子(のようなもの)が増える効果が
大きく，このため半導体では温度が高くなると電気抵抗が小さくなります．

電気抵抗があると抵抗体は発熱します(消費した電気エネルギーの分だけ発熱)．
当然抵抗体は温度が上がるわけですが，
温度が上がると抵抗体から出る電磁波輻射の総量が増加しと周波数も大きくなります．
電磁波の波長が可視光線の領域になると
光を出しているというように見えることになります．
電磁波輻射の話は
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=24426
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=63470
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=33610
等をご覧下さい．

電気抵抗が小さいほど発熱するかどうかは，電源の性質によります．
電気抵抗をＲ，電源電圧をＶ，電流をＩとしましょう．
もちろん，I=V/R です．
Ｖが固定されていれば，単位時間の発熱量は
IV=(V/R)×V=V/R^2
ですから，Ｒが小さいほど発熱が大きくなります．
電気のプラグでショートが起こると，中の銅線が熔けていたりします
(おいおい，危ないよ)．
一方，Ｉが固定されていれば，
IV=RI^2
ですから，Ｒが大きいほど発熱が大きいことになります．

補足

『では，自由電子がイオンにぶつかって(イオンと相互作用して)それが電気抵抗の
原因になるのか？
いかにも納得できそうな話ですが，実はそうなっていません．』
え？、違うんですか？
が～ん・・・
で、その周期性はどのようにして抵抗になるんですか？
ブロッホさん・・・
『イオンの格子振動は温度が高くなるほど激しくなります．
金属で温度が高くなると電気抵抗が大きくなるのはこのためです． 』
これって、逆に考えてもいいんですよね？だったら、イオンに電子がぶつかって、イオンが振動しまくって、抵抗が増すって思ったんですけど、・・・やっぱり違うんですよね。う～ん・・・う～ん

光については、かなり納得しました。今後の勉強のヒントにしたいと思います。
どうもありがとうございました。