仕事(エネルギー)の単位

2021年4月24日

仕事(エネルギー)の単位ジュールは複数の説明の仕方で定義ができます。物理を習得する上で単位を正確に理解することが重要です。それぞれの定義を構成する他の単位とあわせて整理しました。

物理の世界、特に力学は3つ物理量、長さ(距離)と質量と時間から成り立っています。
これらの物理量の単位は7つのSI基本単位に含まれています。

長さ(メートル)
質量(キログラム)
時間(秒)
電流(アンペア)
熱力学温度(ケルビン)
物質量(モル)
光度(カンデラ)

力学的な仕事の式はW=Fsなので、仕事の単位は以下のようになります。、

仕事[J]=力[N]×距離[m]

一方、電磁気的な仕事の式はW=qVですから、仕事の単位は以下のようになります。

仕事[J]=電荷[C]×電圧 [∨]

ここで、長さ、質量、時間に加えて電流が物理量として加わります。電流は上記の式の電荷および電圧で定義されています。

電流の単位はアンペア(ampere、記号A)ですが、1Aは以下のように定義されます。

  • 毎秒1クーロンの電荷(電気量)を流す電流
  • 1秒間に電子が(1/1.602176634)×10^19個通過した時の電流

電流 [A] = 電気量 [C] ÷ 時間 [s]
1A=1C/s = 1クーロン毎秒

第26回国際度量衡会議で決定された新定義(2019年5月20日施行)では、電気素量e(陽子や電子が持つ電荷の絶対値、素粒子の基本的電荷量)の値が1.602176634×10^(-19)Cだと定められました。

このために「SI基本単位」のアンペアと「固有の名称を持つSI組立単位」のクーロンの依存関係が逆になったそうです。

電圧の単位ボルトですが、1∨は以下のように定義されます。

  • 1Aの電流が流れる導体の2点間において消費される電力が1Wの時の、その2点間の電圧
  • 導体の2点間を1Cの電荷を運ぶのに1Jの仕事が必要となる時の、その2点間の電圧
  • 1Ωの電気抵抗のある導体の2点間に1Aの電流が流れている時の、その2点間の電圧

電圧 [V] = 電力 [W] ÷ 電流 [A]
電圧 [V] = 仕事 [J] ÷ 電荷 [C]
電圧 [V] = 電流 [A] × 抵抗 [Ω]

1V = 1W/A = 1ワット毎アンペア
1V = 1J/C = 1ジュール毎クーロン
1V = 1A・Ω = 1アンペア・Ω

仕事率や電力の単位ワットと電気抵抗の単位Ωについても整理が必要となりました。

1Wの定義

  • 1秒間に1Jの仕事が行われるときの仕事率(力学系)
  • 1Vの電圧の電源から1Aの電流が流れている時の電力(電子/電気系)

仕事率 [W] = 仕事 [J] ÷ 時間 [s]
電力 [W] = 電圧 [V] × 電流 [A]

1W = 1J/s = 1ジュール毎秒
1W = 1V・A = 1ボルト・アンペア

1Ωの定義

  • 1Vの電圧をかけたときに1Aの電流が流れる電気抵抗

電気抵抗 [Ω] = 電圧 [V] ÷ 電流 [A]

1Ω = 1V/A = 1ボルト毎アンペア

やっと仕事、熱量、電気量など、エネルギーの単位ジュールの定義にたどり着きました。

1Jの定義:
1.1Nの力がその力の方向に物体を1m動かすときの仕事
2.1Cの電荷を1Vの電位差分だけ進ませるような仕事
3.1Wの仕事率を1秒間行った時の仕事

1J=1N・1m = 1ニュートン・メートル
1J=1C・1V = 1クーロン・ボルト
1J=1W・1s = 1ワット・秒

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です

このサイトはスパムを低減するために Akismet を使っています。コメントデータの処理方法の詳細はこちらをご覧ください

ABOUT US

IT機器メーカーの会社員です(営業・マーケティング職)。 退職したあとプロの特許翻訳者としてデビューするために勉強をはじめました。  2020年10月よりレバレッジ特許翻訳講座を受講しています(第10期生)。 理科の基礎知識から積み上げて、最終的には信頼される翻訳者になることが目標です。