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単位系の話~SI単位系とcgs単位系~

みなさんこんにちは。このブログを書いている東急三崎口です。今回も、半導体関連の派生で物理一般に関する記事です。今回は、普段生活しているときはあまり意識しない「単位」について解説していきます。ご存じの方は読み飛ばしていただいて構いません。

単位の基準

普段生活しているときに、物理的な「単位」について意識することはあるでしょうか。長さの単位であるm(メートル)、重さの単位であるkg(キログラム)、時間の単位であるs(秒)は使うことはあるかもしれません。これらは結構メジャーな単位なんですが、単位にも実は「定義」があるんですね。普段生活しているときには、あまり単位の定義について意識することはないと思います。実は、普段使っている単位には物理的に定義された「基準」があって、基準をいくつかの単位について決めることで、他の単位が組み立てられています。歴史的な経緯は置いておいて、現在使われている単位の定義は普段使っている単位から離れたものから決められているので、実感として理解することは難しいです。興味のある方は国際単位系のwipediaのページを見てみてください。だいたいどの単位も実感が湧かない定義になっていますが、これは時間が経っても「変化せず」かつ「より正確なもの」を基準に置こうとして定義が変わってきているからです。

現在の基本単位(SI単位系)

物理的な単位の定義は、世界の物理学者が何を基準にすれば正確に表現できるか?ということを日々考えて導かれて、世界で認められて今の結果になっているので、厳密な定義を追い求める必要はありません。現在使われている単位系では、7つの単位が基本とされています。

  • 時間:秒(s)
  • 長さ:メートル(m)
  • 質量:キログラム(kg)
  • 電流:アンペア(A)
  • 熱力学温度:ケルビン(K)
  • 物質量:モル(mol)
  • 光度:カンデラ(cd)

時間・長さ・質量・電流くらいまでであれば、普段見ることもあるかもしれませんが、他の単位は普段の生活では使いませんよね。特に、物質量と光度の単位は普段は特に使わないと思います。ただ、これらの7つの単位を基本として、他の単位はこれらの単位の組み合わせで表すことができるんです。例えば、物の動くスピードを表す速度を考えてみます。速度は、ある時間のうちにどれだけ進んだかを表します。5秒で10m進む物体があったとすると、10mを5秒で進んだわけですから、10m/5s=2m/sと書くことができます。ここで出てきた、m/sが基本単位のmとsから作られた単位になります。こんな形で、基本的な単位からすべての単位が導けるとされています。

古い本だとcgs単位系で書いてあるかもしれない

現在の基本単位では、「時間」・「長さ」・「質量」の単位にそれぞれ「s」・「m」・「kg」が使われています。時間の単位は秒以外使えないですが、長さと質量に関してはmとkg以外にも普段使っている単位が思いつかないでしょうか。長さであればcm(センチメートル)、質量であればg(グラム)があります。昔は、今ほど単位の定義がきっちり整理されていなかったのか、時間・長さ・質量の基本単位にs・cm・gを使って書かれた本もあります。これを、cmとgとsの頭文字をとってcgs単位系と言います。最近出された本であれば、cgs単位系で書かれた本はほとんど無いと思いますが、大昔(大学の図書館だと、40~50年前に出版された本なんかも眠っていることがあります。)に書かれた本だとcgs単位系で書かれている場合があります。今の単位系を前提に読んでいると、よくわからなくなります。基本的に、これから先にcgs単位系を使うことは無いので深く学ぶ必要はありません。ただ、もともとcgs単位系をもとに定義されていた単位が物理をやっていると時々あるので、もし出てきたらケアする必要があります。

半導体でよく使う単位

半導体でよく使われる単位として、今回解説した7つの単位の中であれば、s・m・kg・Aがあります。これらから組み立てられる単位として、電圧を表すV(ボルト)や抵抗を表すΩ(オーム)なんかもあります。これらの単位も、基本の7つの単位のうちから組み立てることができます。(組み立てることはできますが、ちょっと大変なので今回の記事ではスキップします。)以前の記事で紹介した接頭辞を付けて、mA(ミリアンペア)とかnm(ナノメートル)みたいな形で使われることもよくあります。正直なことを言うと、半導体では結構いろいろな単位を使うので、初見で取り組むハードルが高いです。ただ、今回は7つ基本的な単位が決められていて、他の単位は7つを組み合わせて表現できるということを理解していただければ問題ありません。

まとめ

今回は、普段意識することがあまりない「単位」について解説しました。長くなりましたが、ここまで読んでくださりありがとうございます。物理の定義や数式に寄るのではなく、半導体を知るために最低限知っていればいいことを中心に書いていきたいと思います。記事の中でよくわからない点や、内容についてご指摘がありましたら、コメント欄かお問いあわせからご連絡いただければお返事できるようにいたします。次回の記事では未定です。それでは、今回はここまでです。次回の記事でお会いしましょう。

物理一般

Posted by tokyu351