電力・電力量・発熱
家電製品の「100V 1000W」のような表示は何を意味するのでしょう。電気エネルギーの量を扱う単元です。
基本知識
電力 P は1秒間に電気が行う仕事の量で、単位はワット(W)です。電力 P [W] = 電圧 V [V] × 電流 I [A]
オームの法則を代入すると次の派生式も得られます:
・P = I²R
・P = V² / R
電力量 W は電力に時間をかけた累計のエネルギー量で、単位はジュール(J)またはワット時(Wh)です。電力量 W [J] = 電力 P [W] × 時間 t [秒]
家庭の電気料金は通常キロワット時(kWh)で計算されます。1kWh = 1000W × 1時間 = 3,600,000J。
電力 P（1秒間の電気エネルギー。単位 W (ワット)）
電力量 W（電気エネルギーの総量。単位 J (ジュール) または Wh ）
熱量 Q（発生した熱エネルギー。単位 J (ジュール)）
ジュールの法則（電流による発熱量 Q = I²Rt ）
電力会社（電気を発電・送配電する事業者）
省エネルギー（エネルギー消費を抑える取り組み）
深掘り (背景・意義)
抵抗に電流が流れると、必ず発熱します(ジュール熱)。これは抵抗内部で電子と原子が衝突して運動エネルギーが熱に変わるためです。電熱器・トースター・電気ポット・ドライヤーはすべてこの原理を利用します。
熱量は次の式で求められます: Q = Pt = IVt = I²Rt
1Wh = 3600J、1kWh = 3.6 × 10⁶ J。
例: 1000Wの電子レンジを5分使うと、
電力量 = 1000 × 300秒 = 300000 J = 300 kJ = 約 0.083 kWh
もし電気料金が30円/kWhなら、約2.5円となります。
世界で消費される電力の大半は送電中の抵抗による損失が課題です。だから家庭まで届く前に変電所で高電圧(数万〜数十万V)に上げて電流を小さくすることで I²R の損失を抑えています(電圧を上げる理由)。
- 電力 P = VI [W]
- 派生式: P = I²R = V²/R
- 電力量 W = Pt [J] または [Wh]
- 1 Wh = 3600 J
- 1 kWh = 3.6×10⁶ J
- 家電の表示「100V 1000W」は使用時の電圧と電力
- 送電で高電圧化するのは I²R 損失低減
注意点 (混同しやすい)
① 電力 (W)は1秒間の電気エネルギー、電力量 (J や Wh)は累計エネルギー。瞬間量と累積量で別物。② 電力量 W と熱量 Q は単位が同じ(J)で、抵抗ではすべて熱に変わるとき W = Q。③ 単位換算: 1 Wh = 3600 J。④ 家電のラベルにある「1000W」は定格電力で、フル稼働時の消費電力。
練習
- 100Vの電源に2Aの電流が流れる電球の消費電力は何Wか。
- 500Wの電気ポットを10分使うときの電力量を J で求めなさい。
- 抵抗に電流が流れると発熱する。この熱量を表す法則の名前を答えなさい。