熱を利用した電気製品

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熱を利用した電気製品


お湯を沸かせたり、白熱電球のように明るく照らしたし、トースターや電気コタツなどのように熱を出したり、どうして電気はこのようなことができるのでしょうか。

 

電気は自分の持つエネルギーを様々な熱を出す製品に変換することができます。これは、電気の発熱作用を利用したものです。

 

熱を出すもののほとんどの製品には、発熱体として電熱線といわれるものが使われています。

 

その中でも「ニクロム線」は、電熱線の代名詞といえるほど一般的なものです。ニクロム(Nichrome)はニッケルとクロムを中心とした合金で、電気抵抗が大きいため発熱素子として、トースターや電気コタツなどによく使われます。

 

今では、蛍光灯や省エネルギーの観点からLED照明などが多くなってきて、白熱電球が使われることが少なくなってきています。

 

白熱電球などは点灯している時には、かなりの熱を出しています。このように電気が流れたときに発生する熱を「ジュール熱」といいます。これは、導体を電気が流れると抵抗によって熱が発生するためです。

 

前述のトースターや電気コタツなどは熱が出やすい発熱体を使って熱を出すようにしたものです。電気製品に使われているニクロム線は、むき出しでなくガラスチューブなどで絶縁されているものがほとんどです。

 

発熱作用を利用したトースターの仕組み

トースターの仕組みは図のようにわりと簡単なものです。

  • 上下に発熱するヒータ部分がある。
  • タイマー付きのスイッチで発熱時間を変えられる。
  • サーモスタットで発熱の時間を調節をする。

 

発熱によるサーモスタットの構造

サーモスタットは温度調節をするためのものですが、その仕組みはバイメタルを使ったものです。

 

バイメタルとは、2枚の異なる金属を貼り合わせたもので、一般的に、金属は発熱により温度が高まると伸びる性質があります。しかし、金属が異なるとその伸びる大きさが異なります。

 

バイメタルは貼り付けた2枚の金属の伸びが異なるので、発熱により温度が高くなると反り曲がります。これをスイッチの役割りとして使います。



電気による発熱の種類

 

抵抗加熱による発熱

ニクロム線のような導体に電気を流すと、ジュール熱という熱が発生します。

抵抗をR[オーム]、電流をI[アンペア]、電力をP[ワット]とすると
$$\mathrm{P=I×I×R}$$の熱が発生します。
\begin{align}
&\mathrm{1W=1J/秒=0.239cal/秒}\\
&\mathrm{1kW・時=860Kcal}
\end{align}

 

誘電加熱による発熱

絶縁物を強い高周波電界の中に置いて、絶縁体の誘電損失によって発熱する方法をいいます。誘電加熱の特徴は絶縁物自身の発熱という特徴があります。

 

マイクロ波加熱による発熱

マイクロ波加熱は誘電加熱の一種であり、マイクロ波と物質の相互作用により発熱します。電子レンジに代表されるものです。

 

誘導加熱による発熱

巻線の中に金属材料を置き、交流電流を流すと磁界が生じます。その磁界により金属材料に誘導電流が流れ、抵抗加熱により発熱します。IH調理器(電磁調理器)が代表的なものです。

 

ヒートポンプ

ヒートポンプとは冷凍サイクリの発熱と吸熱を利用したものです。エアコンや冷蔵庫などに利用されています。



電気製品の上手な使い方

 

電気製品を使っていると、ついついコンセントに色々な電気製品のコードを差してしまいます。ここで気を付けたいことがあります。

 

それはたこ足配線です。たこ足配線をすると、コンセントやテーブルタップなどに規定以上の電流が流れて発熱する危険があるからです。

 

もちろん、たこ足配線をやらない方が良いのですが、たこ足配線自体が問題なのではなく、たこ足配線によって規定電流以上の電気が流れることが危険なのです。

 

電気のコードなどもわずかながら抵抗がありますので、規定電流以上に電気を流したりすると熱が出て熱くなります。

 

そこから発熱してさらに使い続ければ火災に発展することもあるかもしれません。実際問題として、コンセントにいくつかの電気製品のプラグを差すことはありますから、

 

それぞれの製品の使用電力を考えてコンセントに差すようにしましょう。トースターや電気コタツのように直接的に熱を出すものは使用電力が大きいものが多いです。

 

大雑把に言うと電力=電圧×電流です

コンセントの電圧は100Vですから、電気製品のワット数を見ればだいたいの電流が分かります。

 

大雑把に言うと電力(ワット)は電圧と電流を掛けたものです。つまり、100W(ワット)の電気製品に流れる電流は、およそ1A(アンペア)と考えてかまいません。

 

家庭用のコンセントの容量はだいたい 15Aが多いので およそ 1500W(ワット)を目安に使うと良いでしょう。一般的に見て熱の出るものは、電力の消費が大きいものが多いです。トースター、電気ストーブ、電気コタツ、電気炊飯器などです。

 

電気エネルギーは色々なものに変換できますが、主なものには発熱作用、化学作用、磁気作用があります。これらは「電流の三大作用」とよばれています。

 

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