ジュール熱が発生する仕組み

スマホの充電器を触ったら「あれっ、あったかい！」って感じたことありませんか？
あるいは電気ストーブの前でぬくぬくしているときに、ふと浮かぶ疑問がありますよね。

「電気ってなんで熱くなるんだろう？」って。

実はこの「あったかさ」の正体こそが、 ジュール熱（または抵抗熱）なんです。
電気はただ流れているだけに見えて、その途中で「熱」という私たちが体感できる現象を生んでいます。

この電気から熱が生まれる現象を明らかにしたのが、19世紀の物理学者であるジェームズ・ジュール。
電気と熱の関係を数量として示したことで、エネルギーの考え方そのものを大きく前進させた人物です。

彼は電気が流れると熱が生まれるという事実を、理屈として説明したんですね。
この発見があったからこそ、家電や電気設備は安全に設計できるようになりました。

このページでは、 ジュール熱はなぜ発生するのかという疑問を出発点に、その仕組みを3つのプロセスに分けて、できるだけやさしく解説していきます。

① 電圧がかかり、電流が流れようとする

ジュール熱のスタート地点は、電気が「動き出そう」とする瞬間です。
スイッチを入れたりコンセントにつないだりすると、回路の中には電圧が生まれます。
この電圧が、電子に対して「そろそろ動いていいよ」と合図を出す役目を担っています。

まだこの段階では、目に見える変化はほとんどありません。
ですが、水面下ではしっかり準備が進んでいます。
ここが、すべての始まりです。

電圧は電子を押し出す力

電圧とは、「電子を一方向へ動かそうとする力」のことです。
イメージとしては、高いところから低いところへ水が流れようとする状態。
高低差があるからこそ、水は自然に動きます。

それと同じで、電圧がかかることで電子も流れようとします。 電圧は、電子に「進む向き」を与える原動力。

この時点では、まだ熱は前面に出てきません。

電流は電子の集団移動

電圧によって押された電子が、実際に動き始めた状態。
それが、電流です。

電子が一つだけ動くのではなく、たくさんの電子がまとまって移動する。
その流れが生まれたことで、回路の中では次の現象が起こる準備が整います。
ここから先で、ジュール熱につながる動きが本格化していくわけですね。

② 電子が原子にぶつかり、運動が乱される

ジュール熱が生まれる抵抗加熱体の断面模式図
電流が抵抗体を通ることで発熱し、絶縁材と金属外装が熱と安全を支える。
出典：『Tubular Electric Heater diagram』-Photo by Xerxes2k / Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

電子が流れ始めると、次に起こるのが衝突です。
導体の中は、電子が何もない空間を自由に走れる場所ではありません。
実際には、原子がびっしり並んだ、かなり混み合った世界になっています。

電子は前へ進もうとしますが、その道中で何度も壁にぶつかる。
ここから、ジュール熱の核心に近づいていきます。

抵抗が電子の進みを邪魔する

電子は移動する途中で、原子や結晶格子に繰り返しぶつかります。
この「進みにくさ」をまとめて呼んだものが抵抗です。

抵抗が大きいほど、電子はスムーズに進めません。
向きが乱され、スピードも落ちる。
その結果、電子の動きはどんどん不規則になっていきます。

抵抗とは、電子の流れを妨げる環境そのもの。
ここが、後に熱へと変わる重要な舞台です。

衝突によってエネルギーが失われる

電子が原子にぶつかるたびに、持っているエネルギーの一部は失われます。
といっても、エネルギーが消えてしまうわけではありません。

行き場を失ったエネルギーは、原子へと受け渡されます。
この受け渡しが積み重なることで、次の段階が始まります。
つまり、ここが熱が生まれる直前の重要な分かれ道なんですね。

③ 電子の運動エネルギーが熱に変わる

トースターオーブンの赤熱ヒーター
電熱線に電流を流して発熱させ、食品を加熱するジュール熱利用の代表例。
出典：『Breadstick - Toaster oven with elements on』-Photo by lokate366／Wikimedia Commons CC BY-SA 2.0

では、電子が衝突の中で手放したエネルギーは、いったいどこへ行くのでしょうか。
その行き先こそが、熱です。

ここでようやく、私たちが感じる「あったかさ」が姿を現します。

原子が振動して温度が上がる

電子からエネルギーを受け取った原子は、その場で細かく振動し始めます。

この振動が増えれば増えるほど、物質全体はあたたかく感じられるようになります。
つまり、 温度が上がるということ。

この違いは、原子の振動の激しさそのものなんですね。

エネルギー変換としてのジュール熱

ここまでの流れをまとめると、とてもシンプルな変換が起きています。

電子が持っていた運動エネルギーが、原子の振動エネルギーへと姿を変える。

電気のエネルギーが、熱のエネルギーへと変換される現象。
これをまとめて呼んでいるのが、ジュール熱です。

特別な装置がなくても、電気が流れるかぎり、この変換は必ず起こります。
それほど基本的で、それほど身近な現象なんですね。