電熱器と白熱電球

質問

質問1．

電熱器と白熱電球では、同じワット数でも、熱が出たり、光が出たりします。
熱の割合が多い、光の割合が多いといった方が正確かも知れません。
何が違うのか教えて下さい材質が異なると云われても困ります。
例えばニクロム線であると、何故光が出ず熱が出るのでしょう。

質問２．

電熱器のニクロム線を半分に切ったら、何が起こりますか。
（切った上で何とか伸ばして、電源につなぐのです。）
抵抗が半分になり、電流が二倍になり、発熱量も二倍になりますね。
発熱体が短いほど、発熱量は多くなるのでしょうか。
（焼き切れるかどうかは別として。）

回答No.2

kagakusuki · ベストアンサー

[質問1に対する回答]
　温度が違います。
　高温の物体が放射する電磁波は、物体の温度が高いほど熱エネルギーから電磁波に変わる量が増えますし、その電磁波に含まれている短波長の光の割合も増えます。
　温度の違いは線の表面積や質量に対する発熱量の比によって変わります。
　同じ電圧を加えた時のワット数が同じであるという事は、線の電気抵抗の値が同じという事を意味しますが、細くて短い線と、その線の2倍の太さがあって(つまり線の断面積は4倍)、長さが4倍の同じ材質で出来た線の電気抵抗は概ね等しくなります。
　ワット数が同じであれば発熱量も同じになりますが、細くて短い線は質量が小さいため只でさえ少ない熱でも温度が上がりやすい事に加えて、線の表面積が小さいため熱が外部に逃げ難いため高温になります。
　それに対して、太くて長い線は質量が大きいため只でさえ温度を上げるには多くの熱が必要になるというのに、線の表面積が大きいため熱が外部に逃げ難やすいため細い線程には温度が上がりません。

【参考URL】
　熱放射 - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E6%94%BE%E5%B0%84

　シュテファン＝ボルツマンの法則 - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%83%86%E3%83%95%E3%82%A1%E3%83%B3%EF%BC%9D%E3%83%9C%E3%83%AB%E3%83%84%E3%83%9E%E3%83%B3%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87

　ウィーンの変位則 - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A6%E3%82%A3%E3%83%BC%E3%83%B3%E3%81%AE%E5%A4%89%E4%BD%8D%E5%89%87

　プランクの法則 - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%AF%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87

[質問2に対する回答]
>抵抗が半分になり、電流が二倍になり、発熱量も二倍になりますね。
>発熱体が短いほど、発熱量は多くなるのでしょうか。

　概ねその通りです。
　但し、金属の温度が高い程、その金属の電気抵抗も高くなりますから、短くなって表面積が減り熱が逃げにくくなった事に加えて発熱量も増えた事により、温度がより高くなりますから、電気抵抗は半分よりも少し大きい値となりますので、電流や発熱量は2倍よりは少し少なくなります。

補足

お答え有り難うございます。
【導線温度の違い】と理解いたしました。電熱器あるいは白熱電球の設計は論理的には次の様に考えればよいのですね。
１．ウィーンの変位則
高音の物体は波長の短い放射線（電磁波）を出し、
低音の物体は波長の長い放射線（電磁波）を出す。

２．
電気エネルギーから変換される熱エネルギーが同じなら、
物体（この場合は導線）の熱容量が小さければ、温度が高くなる。

３．熱容量は、物体の質量 ｘ 比熱である。

４．物体の質量（この場合導線）は太さ ｘ 長さ ｘ 密度である。

５．物体の電気抵抗は　比抵抗値 ｘ 長さ ／ 太さ 　である。

６．お答えの中には、導線の冷えについても書かれていましたが、ここでは繰り返しません。

============
以上を勘案して、望みの導線温度を実現し、光線なり、熱線なりを放射させる。

ということで、第一の疑問は解決いたしました。

===========

第二の疑問は、元々変な考えで、短いニクロム線の機器を作れば、電気抵抗が減り、ワット数が上がり、導線の熱容量が減り、導線温度が上がり、極端に云えば白熱電球に近くなります。多分断線も起こり、よい設計ではありません。質問を取り消します。

回答No.4

hiroshi01

既に完璧な回答が出ていますが、電熱器（のコイル（発熱体））と白熱電球（のフィラメント（発光体））の違い（材質、ニクロム線とタングステン線）は基本的に抵抗の差だと思います。ニクロム線は抵抗が低く、タングステンは抵抗が高いです。なので、同じワット数で設計すればニクロム線は長くなるので熱は出ても温度が上がらず、タングステン線は短く出来るので温度が高くなって光が発生すると言うことになります。ごくシンプルにいえば、NO。１さんのように発熱体の抵抗の差とはいえませんか。

お礼

有り難うございます。
おっしゃることは分かりますし、穏やかな表現をされているのは学ばなくてはなりません。

ただ、この様な議論をするときには、質問者が何を求めているかを把握して答えなくては誤解を招くように思います。

結論として、【表面温度】がキーワードであることを今回は理解いたしました。
そして、そこに達するまでには、【電気抵抗】と【電気抵抗度】を区別して議論をしなければなりません。

皆様有り難うございました。

回答No.3

lumiheart

ワット密度
http://www.nippon-heater.co.jp/designmaterials/efficiency/
ヒーターの表面温度とワット密度の関係
http://www.nippon-heater.co.jp/designmaterials/surfacecolor/

それなりの工夫すれば１０００℃以上の超高温炉も有ります
http://www.noritake.co.jp/products/eeg/heat/search/energy/_-.html
http://www.kk-nagano.co.jp/category/1694920.html

ただ、高温用ヒータは金属でなくセラミックだったりする
http://www.kajiyamakougei.co.jp/about/technology/heater.html
http://www2.kanthal.com/sandvik/8871/internet/jp08057.nsf

お礼

有り難うございます。
私は、ある意味満足するお答えをいただいても、慌てて質問を閉じないことにしています。
更なる知識が得られることが多いからです。

私の知識は、白熱電球のフィラメント材料として、エジソンは日本の竹を炭がして使った。
電熱器の銅線はニクロム線である。
という程度でしたから。今回いろいろ学ぶことが出来ました。

大切なことは、【温度】とは発熱体の【表面温度】である。当たり前ですが、正確に意識して議論いたします。

回答No.1

kohichiro

Ａ）ニッケル・クロム合金とＢ）タングステン　との基本的な差は電気抵抗の大きさだとおもいます。

Ａは低いので電流が沢山流せます。電流が沢山流れたらその抵抗で熱くなります。どんどん電流を流したら熱くなりすぎて溶けて切れます。電流を流す方法は電圧をあげるか、線の長さを短く（抵抗が下がる）します。

タングステンはより抵抗が高く熱に強いので、どんどん電流を流すと更に熱が上がり、ある時点で光が出てどんどん強くなります（Ａもひかりは少し出ます）。まだまだ溶けないので光が強くなり、照明に使えるようになります。更に電流を強くしたら、やはり切れますが。

＞発熱体が短いほど、発熱量は多くなるのでしょうか。

単位長(面積）ではそういえます。

補足

お答え有り難うございます。
残念ながら、お答えは違います。
私は、前提条件として、同じワット数でもと書きました。
すなわち、抵抗は同じという条件です。

注；
. ご存じの通りワット数は、電流掛ける電圧です。
. 電流は、電圧割る抵抗です。
. 逆算すれば、ワット数が同じということは抵抗が同じということです。