ニクロム線の熱の伝わり方。

質問

今回、初めて質問させていただきます。
ニクロム線の両端に端子を繋げ電気を流した場合、ニクロム線はどこから加熱していくのでしょうか？（端からなのか中心からなのか・・・）
私は端からだと思い、そう答えると宿題にさせられてしまいました。
理由も教えていただけると助かります。
説明が下手ですが宜しくお願いします。

回答No.3

candle2007 · ベストアンサー

>ニクロム線はどこから加熱していくのでしょうか？

「加熱」を「昇温（温度上昇）」と勝手に書き換えさせていただいてご回答します。

温度上昇は”発熱”と”放熱”のバランスで決まります。

先ず、「発熱」について考えましょう。
線径が均一であるという前提で考えると、単位長当たりの抵抗値も同じなので、
　　P(W)=RI^2
より、「どこも同じ」と考えられます。

次に「放熱」について考えてみましょう。
ニクロム線の両端にはニクロム線を固定するための端子（多分ネジ止め）があり、これはニクロム線よりかなり大きい表面積を持っています。
大きい表面積は放熱が良好に行われるための要件です。

また、ここには電気を供給するための電線がつないであるはずであり、それには「銅線」が使ってあるはずです。
銅線はニクロム線より熱抵抗（比抵抗）の小さい物質であり、発熱もニクロム線より小さいと考えられます。

つまり、ニクロム線を固定する箇所は、
　(1)表面積が大きくなっている。
　(2)熱抵抗の小さい銅線がつながっている
ことにより、ニクロム線がむき出しになっている箇所より「放熱がよい」場所であると考えられます。

以上の条件をつなぎ合わせて考えると、通電中のニクロム線は「中央部分から昇温して行く」と考えられます。

[参考]
単線のニクロム線では観察が難しいのですが、電熱器などのようにニクロム線がコイル状に巻かれているものでは、中央部分から赤くなっていくのがはっきりと観察されます。
また、その中でも周囲の断熱材に接触している箇所よりも、接触していない箇所のほうが先に赤くなることから、「断熱材よりも空気のほうが放熱が悪い」ことが考察されます。

お礼

candle2007さん

ご回答有難うございました。
とても参考になりました。確かに電熱器を観察していると中央部分から赤くなっています。
このことを参考にし、更に勉強していきたいと思います。

回答No.4

candle2007

すみません。
ANo.3 部分訂正です。

中段部分で「熱抵抗」という言葉を２箇所で使っていますが、両方とも正しくは「電気抵抗」です。
（銅線のほうがニクロム線より電気抵抗（比抵抗）が小さいので、発熱も小さい）

謹んでお詫び申し上げます。

回答No.2

noname#215107

ニクロム線の両端に電圧を掛けると、ニクロム線に電流が流れます。

しかし、実際にニクロム線の内部では何が起こっているかと言うと・・・
ニクロム線の中にはもともと自由電子があり、電圧がかかるとニクロム線の全ての部分において、一斉にプラス側に向かって移動します。
自由電子が移動する際、金属分子を振動させ熱を発生します。
その速度は毎秒１ｃｍ（金属によって差があります）ぐらいの極めて遅い速度です。
もともとニクロム線の内部にあった電子は少しずつ移動して出て行きますが、マイナス側から新しい電子が供給されるので、電子がなくなることはありません。

電子の移動速度自体は遅いのですが、ニクロム線全体でいっせいに移動しはじめるので、全体がほとんど同時に加熱をはじめます。

ただし、電界自体は光の速度に近い速度で伝わるので全体の電子が移動し始めるには、ごくわずかなタイムラグがあります。

例えば、３億メートルの長さのニクロム線の両端に電圧を掛けると、
両端に近い部分から加熱をはじめ、およそ0.5秒後に中央部分が加熱を始めます。

お礼

TXV12003さん

ご回答有難うございました。
返信が遅くなり大変申し訳ありませんでした。
とても参考になりました。
このことを参考にし、更に勉強してみたいと思います。

回答No.1

outerlimit

ニクロム線の抵抗値がどのようになっているか考えてください
(場所によって変わるかどうか）

ヒントは

電流はどの部分も同じ・・・なぜかを考えてください
発熱は　抵抗に比例　電流の二乗に比例

お礼

outerlimiさん

ご回答有難うございました。
また、返信が遅くなり大変申し訳ありませんでした。
ヒント、とても参考になりました。
ヒントから、また勉強したいと思います。