2.2　電子が動くと熱が出る

　ここまで使ってきた電気という言葉は，とても曖昧（あいまい）でした。 しかし，物理学的な正確な定義を説明すると，たいへん退屈な話になってしまうことも事実です。 でもここで，ちょっとだけ寄り道をします。 むつかしい話になりますが，少しがまんしてください。
　なお，電子についてのもうすこし詳しい解説は，旧雑誌記事『電子の話し』を参照してください。 半世紀近く以前の活字凸版印刷時代の雑誌からの転写なので，少々読みにくいことをご了承ください。

［A］
　電気が流れるということは，図 2.5（a）のように電子が動くということです。 そうして，動いている電子がいろいろなものにぶつかって，邪魔（じゃま）されると熱が出るのです。

（a）電子の動きが電流	（b）邪魔されると熱が出る
図 2.5　電子が動くと熱が出る

　では，邪魔物とは何でしょうか。 金属と言っても，決して金属の原子が碁盤目のように，整然と並んでいるわけではありません。 図 2.5（b）のようにいろいろな邪魔物が，電子の快適な動きを邪魔しています。 これらはあたかも，図2.5（a）の坂道に邪魔物が置いてあるように，電子がスムーズに流れるのを妨害します。

　主にこれら三つの原因で，電子は金属中でもスルスルと通り抜けることはできません。 電子が結晶を構成している原子とぶつかると，ぶつけられた原子は揺られて振動します。 電子の勢いは原子を結晶から叩き出すほどではないので，衝突した結果，電子が持っていた移動のエネルギー（Energy）の一部を原子に渡して，原子の振動を増やす（すなわち原子の温度を上げる）ことに使われてしまいます。

　電子の動きをまとめて見たものを電流（Current（カレント））といいます。
　第4章で説明しますが，最初に電流の向きを決めたときに，電子の流れる向きと逆方向を電流の向きとしてしまったため，電子はマイナス（Minus）の電気を持ち，電流は図2.5（a）のように，電子と逆向きに流れるという解りにくいことになってしまいました。

［A］
　発熱量は邪魔物の数には比例します。 そこにある電子の数には比例しませんが，動いている電子の数で変わります。 電子の動きを邪魔する物のことは抵抗（Resistance（レジスタンス））と呼んでいます。 邪魔物の数が多いのは“抵抗が大きい”，少ないのは“抵抗が小さい”と言います。
　ここで議論の要（かなめ）になるのは，電子を動かす（電流が流れる）ためにはどんな条件が必要か，ということです。 電子は放っておいては動かないので，図2.5（a）の坂道のように力をかけない と電流は流れません。

図 2.6 電流を流すには 電圧をかける

　電子が図 2.6のように電線のパイプ（Pipe）に詰まっているとすると，電流を流す（電子を動かす）には圧力（電圧：Voltage（ボルテッジ））をかけてやります。
　じつは，この電流と電圧の間には，
　　（a） 電流を2倍にするには，抵抗が同じなら2倍の電圧が必要
　　（b） 抵抗が2倍になると，同じ電流を流すには2倍の電圧が必要
という比例関係があります。 ここから，電圧と抵抗と電流の間には，
　　電圧（V）＝抵抗（Ω）×電流（A）
というOhm（オーム）の法則が成り立ちます。
　発熱は消費された電力（Wattage（ワッテージ））で惹き起こされますから，
　　発熱割合（J/秒）＝電力（W）＝電圧（V）×電流（A）
の関係を使うと，
　　発熱割合（J/秒）＝電力（W）＝抵抗（Ω）×電流（A）×電流（A）
ということがわかります。
　すなわち発熱割合は，電子の流れの量（電流）の二乗に比例して大きくなります。 ヒータの抵抗が小さいほど，同じ電圧下では電流がたくさん流れるので，発熱量が大きくなります。
　なお英語では，“電力”を数値が伴わない表現で使うときには，“Electric power（エレクトリック パワー） ”を使います。

　エネルギー（仕事・熱）の分量は，J（Joule（ジュール））という単位で測り，1Wの電力消費が1秒続いたときに発生する熱量に相当します。
　よく使われているカロリ（Calorie）との間では，
　　1cal＝4.184J
という関係があります。
　カロリはもともと，1mL（cm³）の水の温度を1℃上げるに必要な熱量とされていますが，この値が水の温度によって変わるので，熱量にはもっと正確に表せるジュールを使います。
　なお，食品のカロリは，1,000calを単位としたkcal（キロカロリ）で表示されます。 食品に関しては，以前は1kcalを1Call（大カロリ）で表示していたこともあります。

［A］
　通常，電子はプール（）の中の水のように，自由に物質の外部へは飛び出せません。 何もないところへ出るには，プールで水面をバシャバシャ叩くのと同じように，物質の拘束を振り切るだけの力を与えなくてはなりません。
　一方，金属中ではそんなに力をかけなくても，電子はプールの中の水のように，かなり自由に動けます。 金属中にある全部の電子がそんなに自由ではありませんが，図 2.7（b）のように，金属原子のいちばん外側にある電子は，ほとんど原子に拘束されていません。 そこで，少しでも電圧がかかると，物質の内では水のように自由に流れることができます。

図 2.7 電子は原子に 捕まっている
	（a）単独のアルミ原子 　　　　　　　　　（b）金属アルミにはお隣さんがいる

　たとえば Aluminium アルミニュウムは，原子核に13 個のプラスの電気を持つ陽子が集まっています。 ですから同じ数の電子を周りに集めて，電気的には中性になっています。
　13 個の電子は一 かたまり 塊になっているのではなく，原子核に近い方から2 個（K殻という），8 個（L 殻），3 個（M殻）と3 層になっていると考えられています。

　このように物質内を自由に動ける電子を，“自由電子”（Free Electron）と名付けます。 金属は自由電子がつねに存在する物質です。