8. 電力と電力量

電力とは、単位時間あたりに消費されるエネルギーの量を示す物理量である。SI単位系ではワット[$W$]で表され、1秒間に1ジュール[$J$]のエネルギーが消費される場合に$1 \; W$の電力とする。 $$1 \; J = 1\; W\cdot s$$ 電力は、電気を使って動く機械や器具などに供給され、駆動する。

一方、電力量とは、消費されたエネルギーの総量を示す物理量で、SI単位系ではキロワット時[$kWh$]で表され、1時間に1キロワットの電力を使用した場合に消費されるエネルギーの量である。たとえば、1時間に1000ワットの電力を使用すると、$1 \; kWh$の電力量が消費されたことになる。

電力と電力量は、電気の使用や供給において重要な概念であり、電力量の計測には電力メータが使用される。また、電力量は料金の算出にも利用されるため、家庭や企業などが電気を使用する場合には、注意して管理する必要がある。

エネルギーには、多くの形態がある。主なエネルギー形態には以下がある。

・熱エネルギー：物質の分子や原子の運動エネルギーによって表されるエネルギー形態。物体の温度が上昇すると、熱エネルギーも増加する。熱エネルギーは、燃焼反応や摩擦によっても生成される。

・電気エネルギー：電荷の位置や電荷の移動によって表されるエネルギー形態。電流が流れることで、電気エネルギーが消費されたり、電気エネルギーが変換されたりする。例えば、発電所で発電された電気は、送電線を通じて消費者に供給され、電気エネルギーを利用して動力や照明などの機器を動かす。

・光エネルギー：電磁波の一種である光によって表されるエネルギー形態。光エネルギーは、太陽光や電球の光など、さまざまな光源から発生する。光エネルギーは、光を利用して情報を伝達する通信技術や、光を利用して化学反応を起こす光化学反応など、さまざまな分野で利用される。

・運動エネルギー：物体を移動させたり、物体に力を加えることで表されるエネルギー形態。運動エネルギーは、物理的な動きを生み出すために必要なエネルギーであり、機械的な力を伝達するためにも利用される。

電気回路の負荷とは、回路内に接続された機器や装置など、電力を消費する部分のことを指す。負荷が回路に接続されることで、電力が消費され、回路内の電流や電圧に変化をもたらす。
負荷には、抵抗、容量、インダクタンスなどの電気的な性質を持つ要素が含まれる。例えば、抵抗は電流を流し、電圧降下を起こし電力を消費する。

※抵抗で消費される電力は全て熱に変換される。従って、放熱が適切にされないと抵抗は焼損することになる。
抵抗焼損の映像：https://youtu.be/P6s0WI7jkKM

抵抗負荷で消費される電力

電圧降下は、$V= RI$である。消費電力$P$は、 $$P=V \cdot I$$ である。単位は、[W]=[V][A]である。
$V$：抵抗による電圧降下
$I$：抵抗に流れる電流
$$P=V\cdot I = (RI)I = RI^2 \\ P= V\cdot I = V\left(\frac{V}{R}\right) =\frac{V^2}{R}$$
電力$P$は$I^2$に比例する。また、電力$P$は$V^2$に比例する。

消費電力の計算例

図「消費電力の計算例」において、$R_2$の消費電力を求める。
$R_1\;,\;R_2$は直列接続なので、合成抵抗は、$R_a = R_1 + R_2 = 5 \; k\Omega$となる。$R_2$に流れる電流は、 $$I = \frac{E}{R_a} = \frac{10 \; V}{5 \; k\Omega} = 2\; mA$$ である。よって、$R_2$の消費電力は、 $$P = R_2\cdot I^2 = 2 \; k\Omega \times (2 \; mA)^2 = 8 \; mW$$ となる。