図解でわかる危険物取扱者講座

オームの法則とジュールの法則

電圧、電流、電気抵抗のモデル図

電気は、危険物火災に直結することがあります。まずは、電気に関する基本的な概念と法則を学んでいきましょう。

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電荷

電荷(でんか)とは、電気の元となる成分のことをいいます。また、電荷の量を電気量(でんきりょう)といい、記号は\(Q\)(quantity of electricityのQ)、単位はC(クーロン)を使用します。

正の電荷を正電荷(せいでんか)、負の電荷を負電荷(ふでんか)といいます。

正電荷と負電荷

正電荷を持つ粒子の例としては陽子が、負電荷を持つ粒子の例としては電子が挙げられます。

電気素量

正・負の電気量の最小値を電気素量(でんきそりょう)または素電荷(そでんか)と呼びます。記号は\(e\)を使用します。電子1個または陽子1個の電気量の絶対値で表され、その数値は、\(e = 約1.6×10^{ -19 }\)[C]になります。

荷電粒子

電荷を帯びた粒子のことを荷電粒子(かでんりゅうし)といいます。例えば、電子や陽子、イオンがそれに当たります。

点電荷

点電荷(てんでんか)とは、荷電粒子を大きさ(体積)のない点状の物体として見なしたもののことです。

静電気と電流

電荷によって引き起こされる物理現象は、電荷が動いているか否かによって大別されます。すなわち、静止状態の電荷によって生じる静電気、動いている電荷によって生じる電流です。

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電流

荷電粒子の移動によって生じる電荷の流れのことを電流(でんりゅう)といいます。記号は\(I\)、単位はA(アンペア)を使用します。単位時間あたりに流れる電気量で表されます。

電流のモデル図

1Aは、1秒間に1Cの電気量が流れることを表します。電流\(I\)[A]、電気量\(Q\)[C]、時間\(t\)[s]を使って式で示すと、次の様になります。

$$I = \frac{Q}{t}$$

以上より、AはC/sと表すこともできることがわかります。

電流の向きに注意!

電流は、正電荷の流れる向きを正(プラス)としています。

電流が引き起こす物理現象は、落雷やオーロラなどの自然現象、電気製品、動物の筋肉を動かす神経など様々なところで見られます。

落雷

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電圧

電流を流すのに必要な電気的な圧力を電圧(でんあつ)といいます。記号は\(E\)(Electric pressureのE)または\(V\)(VoltageのV)、単位はV(ボルト)を用います。

電圧のモデル図

ちなみに、日常よく使っている電池は、電圧を引き起こす装置です。

乾電池

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抵抗(電気抵抗)

電気の流れにくさを電気抵抗(または抵抗)といいます。記号は、\(R\)(electrical ResistanceのR)、単位はΩ(オーム)を用います。

電気抵抗のモデル図

導体と不導体

電気の流れやすい物質を導体(どうたい)、電気の流しにくい物質を不導体(ふどうたい)または絶縁体(ぜつえんたい)といいます。

導体の例としては金属が、不導体の例としてはプラスチックが挙げられます。

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次に電気に関する2つの法則を学びましょう。

オームの法則

オームの法則とは、電流は、電圧に比例電気抵抗に反比例するという法則です。

電流\(I\)[A]、電圧\(E\)[V]、電気抵抗\(R\)[Ω]を用いると、次の様に表すことができます。

$$I = \frac{E}{R}$$

式変形した下の様な表記で表すことも多いです。

$$E = IR$$

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ジュールの法則

電気抵抗のある導体に電流を流した時に発生するジュール熱といいます。

ジュールの法則とは、ジュール熱の発生量が電圧電流時間比例するという法則です。

ジュール熱\(Q\)[J]、電圧\(E\)[V]、電流\(I\)[A]、電流を流した時間\(t\)[s]を使って表すと次の様になります。

$$Q = EIt$$

電流が一定のときと電圧が一定のときについても見てみましょう。

電流が一定のとき

電圧\(E\)の2乗と時間\(t\)に比例し、電気抵抗\(R\)に反比例します。

$$Q = \frac{E^2}{R}t$$

電圧が一定のとき

電流\(I\)の2乗と電気抵抗\(R\)と時間\(t\)に比例します。

$$Q = I^2R t$$

ちなみに、ジュール熱は、身近なところでも使われています。例えば、白熱電球、電気ストーブ、電気こたつ、アイロン、ハンダゴテなどが、その例です。

白熱電球

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