ジュールの法則

電気回路に電源を接続すると電流が流れて、熱が発生します。この熱をジュール熱といいます。
暖房機器やはんだごてなど、熱を利用する機器以外では回路が発生させている熱は、電気エネルギーを無駄にしています。
また、熱によって回路が劣化しますし、場合によっては回路を焼損させてしまうこともあります。
回路が発生する熱エネルギーの量を計算する方法がジュールの法則です。

ジュールの法則の公式

ジュールの法則とは、ジュール熱の熱エネルギーの量が電圧と電流と時間に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式になります。

上の公式にオームの法則の式を代入することができます。
電流が一定のときは、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。

電圧が一定のときは、電流Iの2乗と電気抵抗Rと時間tに比例します

熱量との関係

ジュールの法則で算出するのは熱エネルギーです。
このままで分かりにくいときは、熱量[cal]に換算することができます。
カロリー[cal]とジュール[J]には、下の式の関係があります。

この式は、熱エネルギーから熱量を算出する際に使用します。逆に、熱量から熱エネルギーを算出する際は下の式になります。

回路設計の注意点

ジュール熱は、回路に悪影響があります。
ジュールの法則の公式から、回路に供給する電圧を下げるか、回路を流れる電流を減らすことでジュール熱を抑えることができます。
たとえば、5Vの電圧を2Ωと3Ωの抵抗で分圧すると、3Vの電圧を得ることができます。この時の電流は1Aになります。この抵抗を200kΩと300kΩにしても、得られる電圧は3Vですが、流れる電流は0.1mAになります。
ただし、回路に使用する部品には、動作するための電圧や電流がある程度必要なものがあるので、むやみに電圧や電流を抑えることができません。