ジュール熱とは
ジュール熱(ジュールねつ)とは、導体に
電流が流れる際に生じる熱のことで、物質が持つ
電気抵抗による現象です。この熱の発生は、
イギリスの
物理学者ジェームズ・プレスコット・ジュールによって発見され、彼の名を冠して「ジュールの法則」と呼ばれています。
ジュールの法則
ジュール熱の量は、
電気抵抗 (R) と流れる
電流 (I) の二乗に比例することが示されています。具体的には、抵抗 R [Ω] の物体に、定常
電流 I [A] を t 秒間流した際に発生する熱量 Q [J] は次のように表されます。
$$ Q = R I^2 t $$
この式からもわかるように、流れる
電流が強いほど、または抵抗が大きいほど、発生するジュール熱の量は増加します。
オームの法則を用いて、この関係を電圧 V に関連づけることも可能です。
ジュール熱の応用
ジュール熱は、さまざまな分野で広く利用されています。特に、制御が容易でそれにより発生させる熱量を調整しやすいことから、暖房や調理器具などに古くから使用されています。以下はその具体例です。
調理器具
暖房装置
- - 電気あんか
- - 電気こたつ
- - 電気ストーブ
- - 電気毛布
- - 鉄道車両の電気暖房
乾燥機
- - 衣類乾燥機
- - 電気食器乾燥機
- - 電気布団乾燥機
- - ヘアドライヤー
その他の利用例
- - アイロン
- - はんだごて
- - ヒューズ
- - 電気温水器
- - 電撃殺虫器
ただし、ジュール熱は必要な場合に役立つ一方で、無駄な
エネルギーを消費する要因ともなります。特に電動機や
発電機、
変圧器などの大型
電力機器や、それらの接続配線において、導体を通じて流れる
電流によって無用な熱が発生してしまいます。また、家庭用の照明器具や電気機器も無駄な
エネルギーを消費する原因となります。このため、配線を短くしたり、流れる
電流に応じて適切な断面積の
電線を選んだりすることで、ジュール熱の発生を抑えることが求められます。さらに、発生した熱を適切に放熱、冷却することも重要です。
ジュール損と渦電流
特に
変圧器などの電気部品においては、銅線で構成されるコイルにもジュール熱が生じます。さらに、これらの部品に含まれる
鉄芯(コア)内でもジュール熱が発生し、
エネルギーの損失が生じます。この現象は「ジュール損」または「渦
電流損」と呼ばれています。
交流電流が流れると、磁束が生成と消滅を繰り返し、その過程で渦
電流が発生します。この渦
電流による
エネルギーの損失を最小限に抑えるため、低
周波数の
交流では絶縁された薄いケイ素
鋼板を積層してコアを形成する手法が一般的に用いられます。一方、高
周波数の
交流の場合には、比抵抗が高いソフト・フェライトをコアとして用いることで、渦
電流が発生しないように工夫されています。
このように、ジュール熱は
エネルギーの利用や損失において重要な役割を果たしており、私たちの日常生活や工業製品に深く関わっています。