Question 1

導電材料としての軟銅と硬銅の使い分けに関する記述として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

軟銅は屋内配線の絶縁電線に、硬銅は架空電線に用いる。【詳細解説】銅線は、伸線したあとに焼きなましをするかどうかで性質が変わります。焼きなましをした軟銅は柔らかくて曲げやすく、導電率も高いので、屋内配線の絶縁電線やケーブルの導体、機器の巻線に使われます。焼きなましをしない硬銅は、加工で硬くなった状態のままなので引張強さが大きく、その代わり導電率はやや低くなります。自分の重さと風雪の力に耐えて張り渡さなければならない架空送配電線の裸電線には、この硬銅が向いています。つまり、加工しやすさと導電率をとるか、機械的な強さをとるかの使い分けです。硬銅は硬いので曲げにくく、接続作業がしやすいという記述は逆になります。また、引張強さが大きいのは硬銅であり、導電率が高いのは軟銅なので、両方を軟銅の長所としてまとめた記述も誤りです。「軟らかい銅は屋内、硬い銅は屋外の空中」と結び付けて覚えます。【他の選択肢が不適切な理由】柔らかさと強さは焼きなましをするかどうかで決まる相反する性質なので、引張強さと導電率の両方が優れているという記述は成り立ちません。屋内の配線は狭い場所で何度も曲げて納めるため柔らかさが必要で、電柱の間に張る裸線は自らの重さと風雪に耐える強さが必要です。用途を入れ替えると、屋内では曲げにくく、架空では垂れ下がってしまいます。

Question 2

導電材料としてのアルミニウムの特徴として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

銅より軽いが導電率は低く、同じ抵抗なら太くなる。【詳細解説】アルミニウムの密度は銅のおよそ三分の一と軽く、導電率は銅を100としたときおよそ60程度です。導電率が低いということは同じ長さ・同じ断面積での抵抗が大きいということなので、銅線と同じ抵抗にそろえるには断面積を大きく、つまり電線を太くする必要があります。それでも密度が小さいため、同じ抵抗で比べたときの重さは銅より軽くなります。この軽さが、長い径間を張り渡す架空送電線でアルミが選ばれる理由です。ただしアルミ単体では引張強さが不足するので、中心に亜鉛めっき鋼より線を入れて強度を持たせた鋼心アルミより線が用いられます。アルミは銅より軽くて安いが導電率は低い、という組合せが要点で、導電率まで高いとする記述や、銅より重いとする記述は逆です。接続部では表面の酸化被膜と熱膨張の大きさに注意が必要で、専用の圧着端子や接続材を使います。【他の選択肢が不適切な理由】同じ抵抗にそろえると断面積を大きくしなければならないので、細くできるという記述は成り立ちません。重さも導電率も銅と同じであるなら、わざわざ材料を替える理由がなくなります。また導電率まで銅を上回るのであれば屋内配線でも置き換わっているはずですが、実際には銅が使われ続けており、この点からも判断できます。

Question 3

温度が上がったときの抵抗の変化に関する記述として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

銅などの金属は抵抗が増え、半導体は抵抗が減る。【詳細解説】金属では、自由電子の数は温度が変わってもほとんど変化しません。一方、温度が上がると原子の熱振動が激しくなり、電子の流れが妨げられるので抵抗は大きくなります。これを正の温度係数といい、銅の場合は0℃の抵抗を基準にして1℃あたりおよそ0.4％の割合で増加します。半導体では事情が逆で、常温付近では温度が上がるほど電気を運ぶ電子と正孔の数が急に増えるため、抵抗は小さくなります。これを負の温度係数といいます。サーミスタが温度センサとして使えるのは、この性質をはっきり示すからです。実務では、電動機の巻線抵抗を測って温度上昇を推定する方法にこの性質が使われますし、電線の許容電流が周囲温度によって変わるのも、抵抗の増加と放熱の関係によるものです。金属と半導体で向きが逆になる点が最大の要点で、両方が同じ向きに変化するという記述は誤りです。【他の選択肢が不適切な理由】白熱電球は点灯した直後に大きな電流が流れ、フィラメントが温まるにつれて電流が減っていきます。これは金属の抵抗が温度とともに増えることを示す身近な例です。温度が上がるほど抵抗が下がる素子を温度の測定に利用できるのは半導体だけであり、両方が同じ向きに変化するとすれば、この使い分けそのものが説明できなくなります。

Question 4

絶縁材料の耐熱クラスのうち、記号Fで表されるクラスの許容最高温度［℃］は。

Accepted Answer

155。【詳細解説】耐熱クラスは、絶縁材料や絶縁システムがどこまでの温度に長期間耐えられるかを表す区分で、JIS C 4003に定められています。従来から使われている記号と許容最高温度の対応は、Yが90℃、Aが105℃、Eが120℃、Bが130℃、Fが155℃、Hが180℃で、これより上は200℃、220℃、250℃と温度の数値そのもので呼ばれます。したがってFは155℃です。130℃はB、180℃はH、200℃はさらに上のクラスに当たります。低圧電動機ではEやBが長く使われてきましたが、近年はFやHが主流になっています。クラスが上がるほど同じ大きさで大きな出力が取り出せる一方、絶縁物の温度が上がるので冷却の設計も重要になります。覚え方としては、温度の並び90・105・120・130・155・180を先に覚え、そこへY・A・E・B・F・Hを順に当てはめると、記号と数値の取り違えを防げます。【他の選択肢が不適切な理由】記号と温度は一つずつ対応しているので、隣の区分の値を当てはめると、その材料が耐えられる温度を実際より高くも低くも見積もることになります。高く見積もれば絶縁物の寿命を縮めて焼損を招き、低く見積もれば必要以上に大きな機器を選ぶことになります。温度の並びを順に思い出し、記号の位置を数えて確かめるのが確実です。

Question 5

常温において導電率が高い順に金属を並べたものとして、正しいものはどれか。

Accepted Answer

銀、銅、アルミニウム、鉄。【詳細解説】常温での導電率は、銀が最も高く、次いで銅、金、アルミニウム、鉄の順になります。抵抗率で比べると、銀がおよそ1.6×10のマイナス8乗Ω・m、銅がおよそ1.7×10のマイナス8乗Ω・m、アルミニウムがおよそ2.7×10のマイナス8乗Ω・m、鉄がおよそ10×10のマイナス8乗Ω・mで、鉄は銅の6倍近い抵抗率を持ちます。銀が最も電気を通しやすいのに電線に使われないのは、価格が高く量も限られるためで、実用上の導電材料は銅が中心です。アルミニウムは導電率が銅のおよそ60％しかありませんが、密度が銅の約三分の一と軽く価格も安いため、架空送電線や配電盤の導体板に使われます。鉄は導電率が低いので電流を流す導体には向かず、磁性材料や電線の補強材としての役割が中心になります。銀と銅の順を入れ替えたものや、アルミニウムを銅より上に置いたものは、いずれもこの並びを取り違えています。【他の選択肢が不適切な理由】銀が銅よりわずかに電気を通しやすいという順序は、抵抗率の数値を並べれば確かめられます。アルミニウムを銅より上に置いた並びは、同じ太さの電線で比べたときにアルミのほうが抵抗が大きいという実際と合いません。また鉄は抵抗率が銅の6倍近くあって最も電気を通しにくいので、鉄をアルミニウムより上に置く並びも成り立ちません。

Question 6

電気機器の絶縁物が劣化する原因に関する記述として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

熱、電気、機械、環境の要因が重なって進行する。【詳細解説】絶縁物の劣化は一つの原因で起こるものではなく、四つの要因が同時に働いて進みます。熱的要因は運転による温度上昇で絶縁物の分子が変質すること、電気的要因は電界による部分放電やトラッキングが少しずつ絶縁物を侵していくこと、機械的要因は振動、衝撃、電磁力による繰り返しの応力でひび割れが生じること、環境的要因は湿気、塩分、じんあい、薬品、紫外線などによる表面の汚損と化学変化です。したがって、湿度が高いほど劣化が遅くなるという記述や、振動は関係しないという記述は成り立ちません。温度と寿命の関係については、温度が上がるほど寿命が短くなり、目安として8℃から10℃上がるごとに寿命がおよそ半分になるといわれています。温度が下がるごとに半分になるという記述は、この関係を逆にしたものです。複数の要因が重なるからこそ、定期的な絶縁抵抗測定や清掃といった保守が意味を持ちます。【他の選択肢が不適切な理由】湿気は表面のじんあいと結び付いて電気を通しやすい膜をつくり、部分的な放電を起こしやすくするので、劣化を早める側に働きます。振動は端部の締付けを緩める原因にもなり、緩んだ部分の発熱がさらに劣化を進めます。温度と寿命の関係は温度が上がるほど短くなる向きであり、下がって短くなるのであれば、機器を冷却する意味そのものがなくなってしまいます。

Question 7

電気機器に用いられる絶縁材料に関する記述として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

マイカは耐熱性が高く、整流子片間の絶縁に用いられる。【詳細解説】マイカ（雲母）は薄くはがれる層状の鉱物で、絶縁耐力が高いうえに数百℃の高温にも耐えるため、直流機の整流子の銅片と銅片の間を絶縁する板や、電熱器の発熱体を支える絶縁物として使われてきました。無機物なので熱で焦げたり炭化したりしないことが最大の長所です。磁器は焼き固めた無機材料で、吸湿しにくく風雨や紫外線にも強いため、屋外のがいしやブッシングの主要な材料になっています。吸湿しやすいという記述は性質が逆です。ポリエチレンは絶縁性能が優れ、誘電損も小さいのでケーブルの絶縁体に多く使われますが、熱可塑性の樹脂で温度が上がると軟らかくなるため、電熱器のような高温部の絶縁には適しません。ガラスも絶縁耐力が大きく、がいしや電子部品の封止に使われています。「有機物は熱に弱く、無機物は熱に強い」という区別が判断の手がかりになります。【他の選択肢が不適切な理由】磁器が吸湿しやすいのであれば、雨に打たれ続ける屋外のがいしに長年使われてきた実績を説明できません。ポリエチレンは温度が上がると軟らかくなる樹脂ですから、熱で変形すれば絶縁の隔たりそのものが失われ、高温部には使えません。ガラスの絶縁耐力が小さいとする記述も、送電線のがいしに用いられている事実と合いません。

Question 8

変圧器の鉄心に使われる軟磁性材料と、永久磁石に使われる硬磁性材料の違いとして、正しいものはどれか。

Accepted Answer

軟磁性材料は保磁力が小さく、硬磁性材料は大きい。【詳細解説】保磁力とは、磁化された材料の磁気を消すために必要な逆向きの磁界の強さのことです。磁化の履歴を表すヒステリシスループの横幅に相当します。変圧器や電動機の鉄心に使う軟磁性材料は、交流によって毎秒何十回も磁化の向きが変わります。このとき保磁力が大きいとループの面積が広くなり、その面積に比例するヒステリシス損が増えて発熱してしまいます。そこで鉄心材料には、保磁力が小さく透磁率が大きい材料、すなわちけい素鋼板などの軟磁性材料を使います。反対に永久磁石は、いったん磁化したら簡単に磁気が失われては困るので、保磁力と残留磁束密度がともに大きい硬磁性材料を使います。両者の違いは保磁力の大小そのものなので、保磁力が同じで透磁率だけが違うという記述や、残留磁束密度だけが違うという記述は成り立ちません。「軟らかい磁性は磁気を手放しやすい」と結び付けて覚えます。【他の選択肢が不適切な理由】保磁力が同じであるとすると、交流で何度も磁化の向きが変わる鉄心と、磁気を保ち続けたい永久磁石とを区別できなくなります。鉄心に保磁力の大きい材料を使えば、向きを変えるたびに大きなエネルギーが熱になって発熱します。逆に永久磁石に保磁力の小さい材料を使えば、外から少し磁界を受けただけで磁気を失ってしまいます。

Question 9

アモルファス金属を鉄心に用いた変圧器の特徴として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

けい素鋼板より鉄損が小さいが、大形になりやすい。【詳細解説】アモルファス金属は、鉄を主成分とする合金を溶けた状態から急激に冷やし、原子が規則正しく並ばない状態のまま固めた材料です。磁化の向きを変えるのに必要なエネルギーが小さく、また薄い箔状で電気抵抗も高いため、ヒステリシス損と渦電流損の両方が小さくなります。けい素鋼板と比べた鉄損はおよそ数分の一で、負荷の有無にかかわらず常に発生する無負荷損を大きく減らせます。その一方で、飽和磁束密度がけい素鋼板より低いため同じ容量でも鉄心の断面積を大きくとる必要があり、材料が硬くもろく加工しにくいことも重なって、変圧器は大形で重く、価格も高くなります。したがって、電力を長時間送り続けて無負荷損の積み重ねが効いてくる配電用変圧器で採用が進んでいます。鉄損が大きいとする記述は向きが逆で、銅損は巻線の抵抗で決まるため鉄心材料を変えても変わりません。【他の選択肢が不適切な理由】銅損は巻線の抵抗と流れる電流で決まるため、鉄心の材料を替えても変わりません。鉄損が同じであるなら、硬くて加工しにくい材料をわざわざ使う理由がなくなります。またこの材料は磁束密度の限度が低く鉄心の断面積を大きくとる必要があるので、小形にしやすいという記述は構造上の制約と逆になっています。

Question 10

シリコンにごく少量の不純物を加えてn形半導体をつくるとき、加える元素として正しいものはどれか。

Accepted Answer

りん。【詳細解説】シリコンは価電子を4個持ち、隣り合う原子と電子を共有して結晶をつくっています。ここに価電子を5個持つ元素を微量に加えると、共有結合に使われない電子が1個余り、これが自由に動く電子となって電気を運びます。電子が負の電荷を持つことからn形半導体と呼ばれ、電子を供給する不純物をドナーといいます。りん、ひ素、アンチモンがこれに当たります。反対に、価電子を3個持つほう素、ガリウム、インジウムを加えると結合の手が1本足りない部分ができ、この空席である正孔が電気を運びます。正孔は正の電荷として振る舞うのでp形半導体と呼ばれ、これらの不純物をアクセプタといいます。p形とn形を接合したものがダイオードで、整流作用はこの接合部で生じます。「5価はn形、3価はp形」と価電子の数で覚えると、元素名を一つずつ暗記しなくても判断できます。【他の選択肢が不適切な理由】ほう素、ガリウム、インジウムはいずれも価電子が3個の元素で、加えると結合の手が1本足りない場所ができ、正孔が電気を運ぶ側の半導体になります。電子が余る側をつくるには価電子が5個の元素が必要です。元素名を一つずつ覚えるよりも、価電子の数がシリコンの4より多いか少ないかで判断すると確実に見分けられます。

電気材料（導電・絶縁・磁性）の一問一答