ジュール熱の意味と発生メカニズムは？ジュール熱の計算問題を解いてみよう【演習問題】
こちらのページでは高校物理における電磁気学の基本であるジュール熱に関する内容について解説していきます。
・ジュール熱とは？単位はJを使用する
・ジュール熱の発生メカニズム
・ジュール熱の計算問題を解いてみよう1【演習問題】
というテーマで解説していきます。
ジュール熱とは？単位はJを使用する
ジュール熱とは、外部電源を使用して導線などの導体に対して、電圧をかけ電流を流した際に発生する熱のことを指します。基本的に記号Qで表すことが多く、は言葉の通り単位は[J：ジュール]を使用します。
以下のようなイメージです。
つまり、電気エネルギーが熱エネルギーに変換されるため、発熱しやすい導体から熱が発生するのです。
そして、ジュール熱は以下の計算式で表されます。
記号Qがジュール熱[J]、I[A]が電流、Vが電圧[V]、Rが抵抗値[Ω]、tが時間[s]を表します。
ジュール熱は、本質的には電力量などと同じ「エネルギー：仕事量」のことを意味しますが、エネルギーの中でも通電時に発熱する熱を特にジュール熱と呼ぶのです。
身近な製品では豆電球やIHコンロなどにこのジュール熱が利用されています。
関連記事
エネルギー変換とは？
電圧とは何か？
電荷と電流の関係
電力と電力量の関係
ジュール熱の発生メカニズムは？
このように、ジュール熱は抵抗体に通電することが発生します。
それでは、なぜジュール熱は産出されるのでしょうか。ここでは、ジュール熱ができる原理（仕組み）を以下で確認します。
実は、ジュール熱が生まれるのは、導体内に存在する金属元素と自由電子が関係しています。基本的には金属結合により固定されている結晶格子内で、金属原子の隙間を自由電子が移動しているのです。結果として、電流が流れます。
以下のようなイメージです。
ただ、通電時は自由電子は金属結合で結ばれている金属原子（固定）と衝突することがあり、熱が発生するのです。そして、電流値が大きくなるほど、自由電子の動きが激しくなるため衝突回数が増加傾向にあります。結果として、発熱量が増えるのです。
上述の式をみるとわかりますが、抵抗値が同じである場合、電流値が2倍になると、発熱量は2の2乗倍の4倍大きくなります。
気体分子運動論での分子と圧力の関係と同じような考え方であるため、併せて覚えておくといいです。
関連記事
エネルギー変換とは？
電圧とは何か？
電荷と電流の関係
電力と電力量の関係
気体分子運動論とは？
ジュール熱の計算問題を解いてみよう1【演習問題】
それでは、理解を深めるためにもジュール熱の計算問題を解いていきましょう。
例題1
ある抵抗値が0.1Ωの導体に対して、10Aを30s間通電したとします。このときに発生するジュール熱を計算してみましょう。
解答1
抵抗値、電流値、時間が与えられているために、定義式のQ=I^2Rtを使用しましょう。
よってジュール熱＝10^2 × 0.1 × 30 = 300 Jが発生するのです。
ここで、単位は基準であるΩ、A、sが使用されてるためそのまま掛け合わせるだけでいいです。mΩやmAなどが使われている場合は適宜変換を行っていきましょう。
関連記事
エネルギー変換とは？
電圧とは何か？
電荷と電流の関係
電力と電力量の関係
気体分子運動論とは？
ジュール熱とは？ジュール熱の計算問題を解いてみよう【演習問題】 関連ページ
- SI単位
- 密度とは？比重とは？密度と比重の違いは？【演習問題】
- ミリ、ミクロン、ナノ、ピコとは？SI接頭語と変換方法【演習問題】
- 電位とは何？電位の定義は？
- 電気と電荷、静電気力
- 電流と電荷（I=Q/t）、電流と電子の関係
- コンデンサーと交流
- 電圧とは何か？電圧のイメージ、電流と電圧の関係（オームの法則）
- 直列回路における合成抵抗の導出と計算方法【演習問題】
- 並列回路における合成抵抗の導出と計算方法【演習問題】
- 合成抵抗2（直列と並列が混ざった回路）
- 電力と電力量の違いは？消費電力kWと消費電力量kWhとの関係 WとWhの変換（換算方法） ジュール熱の計算方法
- 水の温度上昇とジュールの関係は？計算問題を解いてみよう【演習問題】
- コンデンサーの容量の計算式と導出方法【静電容量と電圧・電荷の関係式】
- コンデンサーを直列接続したときの静電容量の計算方法【演習問題】
- コンデンサーを並列接続したときの静電容量の計算方法【演習問題】
- コンデンサーのエネルギーが1/2CV^2である理由 静電エネルギーの計算問題をといてみよう
- 磁場とは何か？
- 電流と磁場の関係（電流がつくる磁場）
- 電流が磁場から受ける力（フレミング左手の法則）
- ローレンツ力
- 電磁誘導とレンツの法則
- ファラデーの電磁誘導の法則
- 各種電磁誘導の問題の演習
- 磁束と磁束密度の定義・違いは？
- 相互誘導と自己誘導（相互インダクタンスと自己インダクタンス）
- コイルを含む回路、コイルが蓄えるエネルギー
- 直流と交流、交流の基礎知識 実効値と最大値が√2倍の関係である理由は？
- 抵抗、コンデンサーと交流抵抗、コンデンサーと交流
- コイルと交流、交流のまとめ
- 光のエネルギー
- 物質波とブラッグ反射（ブラッグの式）
- 気体分子運動論とは？
- 気体分子運動論とボルツマン定数
- 電流の定義のI=envsを導出する方法
- 角速度（角周波数）とは何か？角速度（角周波数）の公式と計算方法 周期との関係【演習問題】
- クーロンの法則 導出と計算問題を問いてみよう【演習問題】
- 電気回路に短絡している部分が含まれる時の合成抵抗の計算
- 角速度（角周波数）とは何か？角速度（角周波数）の公式と計算方法 周期との関係【演習問題】(コピー)
- 自由落下（自然落下）における速度は？ 計算問題を解いてみよう【演習問題】
- ばね定数の公式や計算方法（求め方）・単位は？ばね定数が大きいほど伸びにくいのか？直列・並列時のばね定数の合成方法
- 距離（位置）、速度、加速度の変換方法は？計算問題を問いてみよう
- 静止摩擦係数と動摩擦係数の求め方 静止摩擦力と動摩擦力の計算問題を解いてみよう【演習問題】
- 電流計は直列につなぎ、電圧計は並列につなぐのはなぜか 電流計・電圧計の使い方と注意点
- 抵抗が3つ以上の並列回路、直列回路の合成抵抗 計算問題をといてみよう
- 単振動における変位・速度・加速度を表す公式と計算方法【sin・cos】
- ホイートストンブリッジにおける計算問題を解いてみよう【ブリッジ回路の解き方】
- メートルブリッジの計算問題を解いてみよう【ブリッジ回路の解き方】
- 単振動における運動方程式と周期の求め方【計算方法】
- 単振動におけるエネルギーとエネルギー保存則 計算問題を解いてみよう
- v-tグラフ（速度と時間の関係式）から変位・加速度を計算する方法【面積と傾きの求め方】
- 相対速度とは？相対速度の計算問題を解いてみよう【船、雨、0となるときのみかけの速度】
- ロケットなどで2物体が分裂・合体する際の速度の計算【運動量保存と相対速度】
- キルヒホッフの電流則（キルヒホッフの第一法則）とは？計算問題を解いてみよう
- 単振り子における運動方程式や周期の求め方【単振動と振り子】