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。
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
その他の利用例
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。