電気材料19【電験3種 電力】最も抵抗率が低い金属は銀！銅は2番目 平成24年度 A問題14 完全解説

今回は平成24年度 電力科目 A問題14、導電材料としてよく利用される銅の誤り選択問題です。電気銅・軟銅と硬銅の使い分け・焼きなまし・抵抗率と、銅の基礎知識が総登場します。

決め手は金属の抵抗率ランキング。20℃において最も抵抗率の低い金属は銀で、銅は銀に次いで2番目です。「最も抵抗率の低い金属は銅」は誤り——銀は高価なため、実用の電線には銅が使われている、という関係で覚えましょう。

平成24年度 電力科目 A問題14：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成24年度 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題14

電験3種 電力科目 【電気材料】 平成24年度 A問題14

　導電材料としてよく利用される銅に関する記述として、誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

(1)　電線の導体材料の銅は、電気銅を精製したものが用いられる。

(2)　CVケーブルの電線の銅導体には、軟銅が一般に用いられる。

(3)　軟銅は、硬銅を300〜600〔℃〕で焼きなますことにより得られる。

(4)　20〔℃〕において、最も抵抗率の低い金属は、銅である。

(5)　直流発電機の整流子片には、硬銅が一般に用いられる。

誤りは(4)：最も抵抗率が低いのは銀

「最も抵抗率の低い金属は、銅である」——銀のほうが低いのです。

金属	導電率（標準軟銅を100％として）	備考
★銀	★★約106％	★★最も高いが高価
★軟銅	★★100％（基準）	★★ケーブル・屋内配線
★硬銅	★★96〜98％	★★架空送電線・整流子片
★金	★約70％	★接点など特殊用途
★アルミニウム	★★約61％	★★軽いので架空送電線

抵抗率が低いことと、導電率が高いことは同じ意味です——互いに逆数だから。

だから導電率が最も高い銀が、抵抗率も最も低い——銅は2番目です。

銀は約106％、軟銅が100％——差は6％ほどですが、順位は変わりません。

それでも電線に銀を使わないのは、高価で希少だから——実用上の第一位は銅になります。

「実用上」と「物性上」を分けて覚えます——そこが引っかけの場所です。

(3) 焼きなましという処理

段階	起きること
①	★引き伸ばした銅は結晶が乱れている（加工硬化）
★②	★★300〜600 ℃ に加熱する
★③	★★原子が動いて結晶が整う（再結晶）
★④	★★柔らかくなり導電率も上がる

金属を引き伸ばすと、結晶が引き延ばされて乱れます——硬くなるが電気は通しにくくなるのです。

加熱すると原子が動けるようになり、並び直します——それが再結晶です。

その結果、柔らかくなり導電率も回復します——2つが同時に変わるのです。

だから軟銅は「柔らかくて導電率が高い」——1つの処理から両方が出ることになります。

(5) 整流子片に硬銅を使う理由

求められること	理由	硬銅が適する点
★機械的な強さ	★★ブラシが常に押しつけられ摩擦する	★★硬いのですり減りにくい
★遠心力への耐性	★★高速で回転する	★★引張強さが大きい
★導電性	★電流を通す	★96〜98％で十分

整流子はブラシとこすれ合う部品です——柔らかいとすぐ摩耗するのです。

しかも回転しているので、遠心力もかかります——飛び出さない強さが要るのです。

導電率は多少低くても、実用上は問題ありません——96〜98％あれば十分です。

だから硬銅が選ばれます——架空送電線と同じ理由になります。

導電材料は繰り返し出題されています——令和3年度 A問題14（電気材料：送電線の導体）、令和5年度下期 A問題14（電気材料：電線の導体）にもあります。

(2) CVケーブルに軟銅を使う理由

ケーブルは曲げて使う電線です。

場面	求められること	軟銅が適する点
★ドラムに巻く	★★小さく曲げられる	★★可とう性がよい
★管路に通す	★★曲がった管でも通せる	★同上
★マンホール内	★★小さく曲げて収める	★同上
★端末処理	★曲げて接続する	★折れにくい

硬銅では、曲げたときに折れるおそれがあります——加工硬化していてもろいから。

軟銅なら何度曲げても大丈夫です——結晶が整っていて粘りがあるのです。

しかも導電率が100％と高い——曲げやすさと性能の両方が得られる。

引張強さが要らない用途なら、軟銅が有利——だからケーブルは軟銅なのです。

導電率が下がる3つの原因

いずれも「結晶の乱れ」に行き着きます。

原因	何が起きるか	例
★不純物	★★別の原子が結晶を乱す	★純度の低い銅
★加工硬化	★★引き伸ばして結晶が乱れる	★★硬銅
★温度上昇	★★原子の振動が電子を妨げる	★高温で使う電線

電子は、規則正しい結晶の中を最もよく流れます——乱れがあると散乱されるのです。

不純物も、加工による乱れも、熱による振動も同じこと——すべて電子の邪魔をするのです。

だから電気銅は純度を高め、軟銅は焼きなまします——乱れを減らす工夫です。

1つの原理から、3つの現象が説明できます——覚えるのではなく辿れるのです。

銀を電線に使わない理由

最も導電率が高いのに、なぜ使われないのでしょうか。

項目	★銀	★銅
★導電率	★★約106％	★100％
★価格	★★きわめて高価	★安価
★資源量	★★希少	★★豊富
★用途	★★接点・特殊な配線	★★電線全般

導電率の差はわずか6％です——それに見合う価格差ではないのです。

電線は何万キロも使うので、価格が決定的に効きます——数％の性能差より安さ。

だから銀は、少量で済む接点などに使われます——接触抵抗を小さくしたい場所です。

「物性上の第一位」と「実用上の第一位」は違う——そこが本問の要点になります。

整流子片が受ける過酷な条件

(5)で硬銅が使われる理由を、動作から見ましょう。

条件	内容	影響
★ブラシとの摩擦	★★常に押しつけられてこすれる	★★摩耗する
★遠心力	★★高速回転で外向きの力を受ける	★★飛び出そうとする
★火花	★整流のたびに小さな放電が起きる	★表面が荒れる
★温度	★摩擦と通電で熱くなる	★軟化しやすくなる

4つの条件が同時にかかる、過酷な部品です——だから硬さが要るのです。

軟銅では、すぐに摩耗して形が崩れます——整流がうまくいかなくなるのです。

硬銅なら、摩耗にも遠心力にも耐えられます——導電率の数％の差は問題にならない。

求められる性質の優先順位が、材料を決めます——架空送電線と同じ考え方です。

(1) 電気銅ができるまで

純度を高める工程が要ります。

段階	行うこと	純度
★粗銅	★鉱石を溶かして取り出す	★99％程度
★★電解精錬	★★粗銅を陽極にして電気分解する	★★99.99％以上
★電気銅	★陰極に析出した高純度の銅	★これを電線に使う

電気分解では、銅だけが陰極に移ります——不純物は溶けないか、底に沈むのです。

だから高い純度が得られます——99.99％以上になります。

わずかな不純物でも導電率が下がります——結晶を乱すからです。

だから電線用の銅は、必ず電解精錬を経ます——それが「電気銅」という呼び名の由来です。

まとめ

誤り	(4) 最も抵抗率が低いのは銀
電線の銅	電気銅を精製(1)
軟銅	硬銅を300〜600℃で焼きなまし(3)・ケーブル導体(2)
硬銅	整流子片に使用(5)
答え	(4)

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