ジュール熱(ねつ)と電力(でんりょく)

中学(ちゅうがく)の「電力(でんりょく)と電力量(でんりょくりょう)」で学(まな)んだように、抵抗(ていこう)のある導体(どうたい)に電流(でんりゅう)を流(なが)すと、電気(でんき)エネルギーの一部(いちぶ)が熱(ねつ)に変(か)わる。この熱(ねつ)をジュール熱(ねつ)という。電流(でんりゅう)$I$・電圧(でんあつ)$V$の抵抗(ていこう)が単位(たんい)時間(じかん)に消費(しょうひ)する電気(でんき)エネルギー（電力(でんりょく)）は$P=VI$（単位(たんい)W）。オームの法則(ほうそく)$V=IR$を使(つか)うと、$P=I^2R$や$P=\dfrac{V^2}{R}$とも書(か)ける。

時間(じかん)$t$の間(あいだ)に消費(しょうひ)される電気(でんき)エネルギー（電力量(でんりょくりょう)）は$W=Pt$で、単位(たんい)はJ（ジュール）。家庭(かてい)の電気(でんき)料金(りょうきん)では、Wh（ワット時(じ)）やkWh（キロワット時(じ)）という単位(たんい)が使(つか)われ、1kWh＝1000W×3600s＝3.6×10⁶J。

$t$秒間(びょうかん)に発生(はっせい)するジュール熱(ねつ)の量(りょう)は$Q=I^2Rt$（単位(たんい)J）で、電力量(でんりょくりょう)$W=Pt$と同(おな)じ式(しき)になる。電気(でんき)ストーブや電熱(でんねつ)線(せん)を使(つか)った調理(ちょうり)器具(きぐ)は、このジュール熱(ねつ)を利用(りよう)している。

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例題(れいだい)1：6.0Vの電圧(でんあつ)をかけると2.0Aの電流(でんりゅう)が流(なが)れる電熱(でんねつ)線(せん)の消費(しょうひ)電力(でんりょく)は、P＝VI＝6.0×2.0＝12W。

例題(れいだい)2：抵抗(ていこう)15Ωに2.0Aの電流(でんりゅう)を60秒間(びょうかん)流(なが)したときに発生(はっせい)するジュール熱(ねつ)は、Q＝I²Rt＝2.0²×15×60＝3600J（3.6kJ）。

例題(れいだい)3：消費(しょうひ)電力(でんりょく)800Wの電気(でんき)ポットを30分間(ふんかん)使(つか)ったときの電力量(でんりょくりょう)は、0.8kW×0.5h＝0.4kWh。

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P＝VIはどんな負荷(ふか)にも使(つか)える基本(きほん)の式(しき)。オームの法則(ほうそく)V＝IRが成(な)り立(た)つ抵抗(ていこう)では、VをIRに置(お)き換(か)えるとP＝I²R、IをV/Rに置(お)き換(か)えるとP＝V²/Rになる。わかっている量(りょう)（電流(でんりゅう)か電圧(でんあつ)か）に合(あ)わせて、使(つか)いやすい形(かたち)を選(えら)べばよい。

ジュール熱(ねつ)は、自由(じゆう)電子(でんし)（新しいタブで開きます）が金属中(きんぞくちゅう)の原子(げんし)に次々(つぎつぎ)とぶつかって運動(うんどう)エネルギー（新しいタブで開きます）を失(うしな)い、それが熱(ねつ)に変(か)わることで生(う)まれる。抵抗(ていこう)が大(おお)きいほど、同(おな)じ電流(でんりゅう)でも電子(でんし)はより激(はげ)しく原子(げんし)にぶつかるので、発生(はっせい)する熱(ねつ)は大(おお)きくなる（P＝I²R）。

送電(そうでん)線(せん)にも抵抗(ていこう)があるため、電流(でんりゅう)を流(なが)すとジュール熱(ねつ)が発生(はっせい)し、送(おく)られる電気(でんき)の一部(いちぶ)が熱(ねつ)として失(うしな)われる。この送電(そうでん)損失(そんしつ)（新しいタブで開きます）の仕組(しく)みは、次(つぎ)のページで交流(こうりゅう)（新しいタブで開きます）と変圧器(へんあつき)とともに扱(あつか)う。