ジュールの法則

小学校の電気の実験では抵抗の代わりに豆電球を用います。

光るので,電流が流れたことがわかりやすいからです。

もしかして小学校でも最近はLEDだったりするのでしょうか?

だとしたらジェネレーションギャップですね笑

 

さて,豆電球は電気のエネルギーを光のエネルギーに変える装置ですが,光るのと同時に熱も発生します。

豆電球ぐらいのサイズならそこまで熱くなりませんが,大きい電球だとやけどしそうなぐらい熱くなったりします。 

今回はこの現象について考えてみましょう。

 

 

抵抗が熱を発生する理由

抵抗というのは「通りにくい道」のイメージでしたね♪

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  ↑ の記事では,デコボコ道,と表現しましたが,実際は,金属の陽イオンが自由電子の進行を妨げます。

進もうとする自由電子が,陽イオンにぶつかるのですが,この衝突によって,自由電子の運動エネルギーが陽イオンに与えられ,その結果,陽イオンはぶつかる前よりも激しく振動します。(金属中の陽イオンは自由に動くことができないため)

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熱の分野で学んだことを思い出してください!

固体を構成する原子の振動=熱運動,でしたよね! 

詳しくは以下の記事を見てください。 

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抵抗を通る自由電子のもつ運動エネルギーが,金属の陽イオンの熱運動のエネルギーになる。

これが発熱の仕組みです。

 

 

ジュールの法則による発熱量の計算

では実際に抵抗に電流を流したとき,どれぐらいの熱が発生するのでしょう?

もちろん電流の大きさ,抵抗の値,かけた電圧によって変化しますが,これを調べたのがジュールという人です。

エネルギーの単位に名前が使われているので,名前を聞いたことぐらいはあるでしょう。

 

ジュールによると,抵抗での発熱量は, 

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のようになります。

これらの関係式を「ジュールの法則」といい,発生する熱を「ジュール熱」と呼んでいます。

ジュールの法則は,オームの法則でおなじみの I , V , Rの3つのうち,2つが分かれば熱量が計算できる,ということを示しています!

 

ですが,この3つの式はすべて覚える必要はありません。

なぜならI , V , Rにはオームの法則が成り立っているからです。

式はどれか1つ(Q = IVtがオススメ)を覚えておいて,その他はオームの法則を用いて導けるようにしておきましょう。(まとめノート参照)

 

今回のまとめノート

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オームの法則のところで,「法則は式だけでなく意味を言葉で言えるように!」と念を押しておいて恐縮ですが,ジュールの法則の場合は式そのものが法則なので,式を覚えて計算ができるようにしておけば問題ありません!

 

次回予告 

次回は物理基礎の電磁気いよいよ最終回!

消費電力について勉強しましょう! 

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