電磁気

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。

抵抗と抵抗率導体には電流がスムーズに通るのかというと,そういうわけでもなく,必ずある程度の通りにくさ=抵抗が存在します。抵抗の大きさは何によって決まるのでしょうか?...

↑ 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)。

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。

温度と熱「温度」と「熱」。この2つの用語は日常ではほとんど同じ意味で使われますが,実際は同じ意味ではありません! ひとつずつ意味を確認していきましょう。...

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,

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


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!

時間に余裕がある人は,ぜひ問題演習にもチャレンジしてみましょう!

【演習】ジュールの法則ジュールの法則に関する演習問題にチャレンジ!...

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。

電力と電力量抵抗の消費電力量について,電流がする仕事の概念から詳しく解説します!...