※このウェブページは中学校理科2年の学習内容です。<2年p.148>
３｜電気エネルギー
１ 電気エネルギー
電気は，いろいろな電気器具を通して，熱（アイロン）や光（蛍光灯），音（スピーカー）を発生させたり，運動（モーター）を起こしたりする能力がある。このような能力は一般にエネルギーとよばれ，特に電気のもつエネルギーを【電気エネルギー】という。
表示されている消費電力が大きいと，消費される電気エネルギーが多くなる。そのとき，熱，光，音，運動などのはたらきは大きくなる。
図21 電熱線を使った電気器具に表示された消費電力２ 電力
電気器具には，「W」という表示が必ず見られる（図21）。この値は，それぞれの電気器具がはたらくとき，1秒間当たりに消費される電気エネルギーを表しており，これを【電力】❶という。電力の大きさは，電気器具にかかる電圧と，そのとき流れる電流の積に等しく，単位はワット（記号W）が使われる。
$$ 電力P〔W〕 = 電圧V〔V〕 × 電流I〔A〕 $$
電気器具では，１Vの電圧で１Aの電流が流れるとき消費する電力が１Wと決められている。
家庭用の電圧は一般に100Vです。これを電力の式にあてはめると，電気器具の消費電力が1200Wとある場合，電流を 𝓍 として，
1200 W＝100 V × 𝓍 A
となり，その電気器具には，12Aの電流が流れるように設計されているということです。
３ 電熱線の熱
ドライヤーを使うとき，ドライヤーからあたたかい空気が出るのは，中の電熱線で電気エネルギーが熱になり，その熱で空気があたためられるからである。
日常では，「熱」と「温度」を区別せずに使うこともあるが，理科では，これらは使い分ける。熱はエネルギーの一種で，物体が熱エネルギーを受けると温度が上がる。温度は「℃」などの単位で表される。一方，熱エネルギーの量は【熱量】で表し，単位はジュール（記号J）が用いられる❶。
❶ 熱量の単位には，「カロリー（記号cal）」もある。カロリーは，食品のもつエネルギーを表すためにも使われている。1cal の熱量は，1g の水の温度を1℃上昇させる。また，カロリーはジュールに換算でき，1cal は約4.2J である。
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電気器具を使う時間が長いほど，発生する熱量は大きくなることが予想できる。それ以外に熱量が大きくなる原因として何が考えられるだろうか。熱量に関わる要素について，どのように科学的に探究できるだろうか。
探究４ 発熱と電力・時間
(a)100W
100Wと500Wの電熱線に，それぞれ３Vの電圧をかけて10秒後のようす。温度の分布が色のちがいでわかる赤外線サーモグラフィーを使っている。
図22 電熱線❶による温度のちがい
100Wと500Wの電熱線に，同じ電圧で同じ時間通電したとき，何が異なるでしょうか。
注意!! これは説明のための写真である。抵抗器は非常に熱くなるので，長時間通電させない。
❶ 電熱線は抵抗器の一種である。
電熱線のはたらきは，電力や時間とどのような関係にあるか。それを調べるために，どのような実験を行えばよいか。
電熱線で消費する電力が大きいほど，または時間が長いほど，電熱線で発生する熱は多くなりそうだね。でも正確な関係は実験しないとわからない。
変える条件を決めよう。電力を一定にする方法と，時間を一定にする方法が考えられるかな？
電熱線に電流を流して発熱させるだけでは，熱を数値としてはかることができません。そこで探究4では，電熱線を水に入れ，「水の上昇温度」を調べることにします。
こちらの班は「電力を一定」にして時間をはかりながら，「時間と水の上昇温度の関係」を調べよう。
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これはどういう考えで計画した実験なのかな。
ここでは「熱量」「電力」「時間」の関係を求めます。
実験A 同じ実験装置で，電圧を６Vと一定にしたまま（電力を一定にしたまま），はかる時間を長くしながら熱量の変化を調べます。
実験B 同じ実験装置で，時間を５分と決め，電圧を変えて（電力を変えて）何回か実験し，熱量の変化を調べます。
実験A，B で， 変化させる量，変化する量を意識しましょう。実験A の場合， グラフの横軸（変化させる量）は時間です。実験B の場合， グラフの横軸（変化させる量）は電力です。
準備
発泡ポリスチレンの容器と板，実験用ヒーター，電流計，電圧計，電源装置，クリップつき導線，スイッチ，温度計，スタンド，メスシリンダー，ガラス棒，時計
１．実験装置を組み立てる
光学台を組み立て，凸レンズの焦点距離の位置と，焦点距離の2倍の位置に印をつける。
① ２Ωの実験用ヒーターを用意する。
② 発泡ポリスチレンの容器に水を100cm³（100g）入れて，室温と同じくらいになるまで放置してから温度をはかる。
③ 下の図のように装置を組み立てる。
注意!! 容器や温度計に実験用ヒーターがつかないようにする。熱で発泡ポリスチレンの容器がとける。
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基本操作 電源装置の使い方
① 電圧調整つまみを0に合わせておく。
② 電源スイッチが切れていることを確認し，プラグをコンセントに接続する。（直流・交流（→p.174）の切りかえスイッチがある場合は，スイッチが直流になっていることを確認する）
③ 端子の+，−をまちがえないように回路につなぐ。
④ 回路の配線を点検してからスイッチを入れ，電圧調整つまみを動かして必要な大きさの電圧にする。
⑤ 実験が終わったら，電圧調整つまみを0に合わせて，スイッチを切る。
⑥ プラグをコンセントからぬく。
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基本操作 電流計の使い方
回路の電流や電圧をはかったとき，予想の値とずいぶんちがうなと思ったら，まずクリップのはさみかたを見直します。
クリップは端子にしっかりかんでいますか？
回路のスイッチを切った状態で，回路の電流の大きさを測定したい部分に，電流計をはさみこむようにつなぐ（このようなつなぎ方を「直列につなぐ」という）。
このとき，電流計の+端子を電源（電池）の+極側に，−端子を電源の−極側につなぐ。
ポイント
目盛りを正面から見て読み取る。
注意!! 電流計を電池だけに直接つないだり，豆電球の両端につないだりしない。大きな電流が流れてこわれてしまう。
注意!! 指針が反対向きにふれたら，すぐスイッチを切って，正しくつなぎ直す。正しくつながないと電流計がこわれてしまう。
注意!! 指針がふり切れたら，すぐスイッチを切って，正しくつなぎ直す。
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基本操作 電圧計の使い方
回路のスイッチを切った状態で，回路の電圧の大きさを測定したい部分に，電圧計を並列につなぐ。
このとき，電圧計の+端子を電源（電池）の+極側に，ー端子を電源のー極側につなぐ。
ポイント
目盛りを正面から見て読み取る。
注意!! 電圧計は回路に並列につなぐ。直列につなぐと，回路にはほとんど電流が流れなくなり，電圧をはかることができない。
注意!! 指針が反対向きにふれたり，指針がふり切れたりした場合，スイッチを切って，正しくつなぎ直す。
一般的な電流計，電圧計は，計測できる最大値に対して機器の誤差が約2.5％あります。たとえば，15Vの端子ではかった場合，誤差は 15 ✕ 0.025 = 0.375 Vということです。
このような誤差も考えて探究の考察を進めましょう。
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実験A 電力を一定にして水の温度を調べる
① ２Ωの実験用ヒーターに6.0Vの電圧をかけて，そのときの電流の大きさをはかる。
② 電圧と電流の大きさを一定にしたまま，ときどきガラス棒で水をゆっくりかき混ぜ，1分ごとに5分後までの水の温度をはかる。
測定したヒーターの電力，および，時間と水の上昇温度を右のような表にする。
① ２Ωの実験用ヒーターに3.0Vの電圧をかけ，そのときの電流の大きさをはかる。ときどきガラス棒で水をゆっくりかき混ぜ，5分後の水の温度をはかる。
② ２Ωの実験用ヒーターに4.5Vの電圧をかけ，そのときの電流の大きさをはかる。ときどきガラス棒で水をゆっくりかき混ぜ，5分後の水の温度をはかる。
③ ２Ωの実験用ヒーターに6.0Vの電圧をかけ，そのときの電流の大きさをはかる。ときどきガラス棒で水をゆっくりかき混ぜ，5分後の水の温度をはかる。
実験B 時間を一定にして水の温度を調べる
ポイント
方法①，②，③の結果を右のような表にする。
考察
ポイント
- A，Bの結果をそれぞれグラフにする。
- 実験Aを行った班のグラフと，実験Bを行った班のグラフをもとに，電力，時間，水の上昇温度の関係を求められるか。
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探究４ 結果から考察する
実験A
電力を一定にして求めた結果から，時間と水の上昇温度の関係をグラフにすると，図23のようになる。
実験B
時間を一定にして求めた結果から，電力と水の上昇温度の関係をグラフにすると，図24のようになる。
- 図23から，電力という条件を一定にした場合に，上昇温度は，電流を流した時間に比例することがわかる。
- 図24から，5分間という時間の条件を一定にした場合，上昇温度は電力に比例することがわかる。
- すなわち，「水の上昇温度」は，「電熱線に電流を流した時間」にも「電力」にも比例するといえる。
𝓎 という値（上昇温度）が，𝓍（電力）にも比例していて，𝓏（時間）にも比例していた。比例の式で考えると，
𝓎 = a 𝓍
でも，本来なら定数である a が，𝓏 によって変わってしまうんだね。𝓎 はどういう式になるんだろう？
４Ωや６Ωの実験用ヒーターを使っても同じ関係になるかやってみよう。
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４ 電熱線の熱量
電熱線の熱量は，電流を流した時間と電力に比例し，これをジュールの法則という。
$$ 熱量Q〔J〕= 電力P〔W〕× 時間t〔s〕^{❶} $$
p.267の例題で，熱量の計算に慣れておきましょう。
５ 電力量〜消費された電気エネルギーの総量〜
電力は1秒間当たりに消費される電気エネルギーであるから，「電力〔W〕×時間〔s〕」は，その時間に消費された電気エネルギーの総量を表し，これを【電力量】という。
電力量の文字Wは「Work（仕事）」の意味です。電力量を表す文字Wと，電力の単位である「W」は同じ文字を使うので，まちがえないようにしましょう。
$$ 電力量W〔J〕=電力P〔W〕×時間t〔s〕 $$
電力量の単位は，熱量と同じようにジュールであるが，【ワット秒】（記号Ws）も使われる。1J = 1Wsである。
ここでジュールの法則と電力量の式の右辺を考える。
熱量𝑸〔 J 〕 = 電力𝑷〔W〕× 時間𝒕〔s〕と
電力量𝑾〔 J 〕 = 電力𝑷〔W〕× 時間𝒕〔s〕より
熱量𝑸〔 J 〕 = 電力量𝑾〔 J 〕である。
つまり，電熱線では，消費された電力量（電気エネルギー）すべてが熱に変わるということである（図25）。電熱線だけでなく，いろいろな電気製品で消費された電気エネルギーの総量も，電力量で表される。
この式から，電熱線で1Wの電力を1秒間消費すると，電力量は１Jであり，いいかえると1Jの熱量が発生することがわかります。また，太さや長さが異なる電熱線を使っても，それらが消費する電力が同じであれば，同じ時間で発生する熱量は同じになるということです。
熱量は時間にも比例するので，長時間使った分だけ熱量は増える。
図25 熱量と電力量の関係を電気器具でたとえる
❶ 「s」は「秒」を表す英語のsecondの頭文字である。
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