ガウス単位

カール・フリードリヒ・ガウス

ガウス単位は、メートル法測定単位系を構成する。この単位系は、センチメートル・グラム・秒単位系(CGS)に基づく複数の電磁気単位系の中で最も一般的なものである。ガウス単位系ガウス-CGS単位、あるいは単にCGS単位とも呼ばれる[a]「CGS単位」という用語は曖昧であるため、可能な限り使用を避けるべきである。CGSには、電磁気量と単位の定義が矛盾する複数の変種が存在する。

SI単位系はほとんどの分野で主流であり、ガウス単位系に取って代わられながら人気が高まり続けています。[1] [b]代替単位系も存在します。ガウス単位系とSI単位系における量の変換は、それぞれの量系で量自体の定義が異なるため、直接的な単位変換にはなりません。つまり、マクスウェル方程式などの電磁気学の物理法則を表す方程式は、使用する量系によって変化します。例えば、ある量系では無次元である量が、別の量系では次元を持つ場合があります。

代替単位系

ガウス単位系は、CGSにおける複数の電磁気単位系の一つに過ぎません。他には、「静電単位」、「電磁気単位」、ヘビサイド・ローレンツ単位などがあります。

その他の単位系は「自然単位」と呼ばれ、原子単位プランク単位などが含まれるカテゴリです。

国際単位系(SI)は、それに関連する国際数量体系(ISQ)とともに、今日最も広く普及している単位系です。工学および実用分野において、SIは数十年にわたりほぼ普遍的な単位系となっています。[1]技術・科学文献(理論物理学天文学など)では、最近数十年までガウス単位が主流でしたが、現在ではその傾向は徐々に薄れつつあります。[1] [b]第8版SIパンフレットではCGS-ガウス単位系について言及されていますが、[2]第9版SIパンフレットではCGS単位系について言及されていません。

自然単位は物理学のより理論的かつ抽象的な分野、特に素粒子物理学弦理論で使用されることがあります。

ガウス分布とSI分布の主な違い

合理化された単位システム

ガウスシステムと SI システムの違いの 1 つは、定義する量を関連付けるさまざまな式に含まれる係数4 πです。SI 電磁気単位は有理化単位と呼ばれ、[3] [4] マクスウェル方程式の式には4 πの係数が明示的に含まれませんが逆二乗の力の法則 (クーロンの法則ビオ・サバールの法則)では、 r 24 πの係数が付きますガウス単位は非有理化単位と呼ばれ (ヘビサイド・ローレンツ単位とは異なります)、状況は逆になります。マクスウェル方程式の 2 つは式に4 πの係数が含まれますが、逆二乗の力の法則 (クーロンの法則とビオ・サバールの法則) では、分母のr 24 πの係数は含まれません。

( 4 πという値は、半径rの球の表面積が4 πr 2であり、配置の幾何学的形状を反映しているために現れます。詳細については、 「ガウスの法則とクーロンの法則の関係」および「逆二乗の法則」の記事を参照してください。)

充電単位

ガウスシステムとISQの主な違いは、それぞれの電荷量の定義にあります。ISQでは、電流という別の基本次元がSI単位のアンペアに関連付けられており、電磁気現象と関連しています。その結果、電荷の単位(1 クーロン =1アンペア×1秒)は、機械単位(キログラム、メートル、秒)だけで表現できない物理量です。一方、ガウスシステムでは、電荷の単位(スタットクーロン、スタットC)は、次のように、非電気基本単位(グラム、センチメートル、秒)の次元の組み合わせとして完全に表すことができます。

1 統計C =1 g 1/2 ⋅cm 3/2 ⋅s −1

例えば、ガウス単位のクーロンの法則には定数はありません。ここで、Fは2つの電荷間の反発力、QはG1
そしてQG2
は問題となる2つの電荷であり、rはそれらを隔てる距離である。QG1
そしてQG2
がstatCで表されr がセンチメートルで表されている場合、これらの単位と一致するFの単位はダインです。

ISQ における同じ法則は次のようになります。ここでε 0真空の誘電率で、無次元ではない量です。次元は (電荷) 2 (時間) 2 (質量) −1 (長さ) −3です。ε 0がなければ、方程式は ISQ で定義されている量と次元的に矛盾しますが、量ε 0はガウス方程式には現れません。これは、量の定義の選択によって物理法則の式からいくつかの次元の物理定数を排除できる方法の例です。ISQでは、 1/ ε 0は電束密度Dを対応する電場Eに変換またはスケーリングします(後者は電荷あたりの力の次元を持ちます)一方、ガウス システムでは、電束密度は、無次元定数係数を除けば自由空間における電場強度と同じです

ガウスシステムでは、光速度 cはマクスウェル方程式などの電磁気学の式に直接現れます(以下を参照)。一方、ISQ では、積μ 0 ε 0 = 1/ c 2を介して現れます。

磁気の単位

ガウス単位系では、ISQとは異なり、電場E G磁場 B Gは同じ次元を持ちます。これは、他の違いに加えて、2つの単位系におけるBの定義方法の間にcの係数が影響します。 [3](同じ係数は、磁場 H や磁化 M などの他の磁気量にも当てはまります例えば真空平面光波では、ガウス単位では| E G ( r , t ) | = | B G ( r , t ) |ですが、ISQでは| E I ( r , t ) | = c  | B I ( r , t ) | です。

偏光、磁化

ガウス分布とISQには、分極と磁化に関連する量の定義方法にも違いがあります。まず、ガウス分布では、E GD GP GB GH GM Gという量はすべて同じ次元を持ちます。さらに、物質の電気および磁気の感受性はガウス分布とISQの両方で無次元ですが、同じ物質であっても、2つの分布で異なる数値的感受性を持つという点も重要です。(式は以下に示すとおりです。)

方程式のリスト

このセクションでは、電磁気学の基本公式をガウス式と国際量体系(ISQ)の両方で一覧表示しています。ほとんどの記号名は記載されていません。詳細な説明と定義については、各式の該当記事をクリックしてください。表がない場合に使用できる簡単な変換表は、Garg (2012) に記載されています。[5]特に断りのない限り、すべての公式は文献[3]からの引用です。

マクスウェル方程式

マクスウェル方程式をマクロとミクロの両方の形で示します。方程式の「微分形」のみが示されており、「積分形」は示されていません。積分形を得るには、発散定理またはケルビン・ストークスの定理を適用してください。

ガウス系におけるマクスウェル方程式とISQ
名前ガウス分布ISQ
ガウスの法則
(巨視的)
ガウスの法則
(微視的)
磁気に関するガウスの法則
マクスウェル・ファラデー方程式
ファラデーの電磁誘導の法則
アンペール・マクスウェル方程式
(巨視的)
アンペール・マクスウェル方程式
(ミクロ)

その他の基本法

ガウス系とISQにおけるその他の電磁気法則
名前ガウス分布ISQ
ローレンツ力
クーロンの法則
静止点電荷の電場
ビオ・サバールの法則[6]
ポインティングベクトル
(微視的)

誘電体と磁性材料

以下は誘電体媒質中の様々な電界を表す式です。ここでは説明を簡略化するため、媒質は均質、線形、等方性、非分散性であり、誘電率は単純な定数であると仮定します。

誘電体媒体における場の表現
ガウス分布ISQ

どこ

どちらも無次元であり、同じ数値を持ちます。対照的に、電気感受性と はどちらも無単位ですが、同じ物質に対して異なる数値を持ちます。

次に、磁性媒体内の様々な磁場を表す式を示します。ここでも、媒体は均質、線形、等方性、非分散性であると仮定し、透磁率は単純な定数とします。

磁気媒体における場の表現
ガウス分布ISQ

どこ

  • BHは磁場です
  • Mは磁化です
  • 透磁率です
  • 真空の透磁率(SI単位では使用されるが、ガウス単位では意味がない)であり、
  • 磁化率です

どちらも無次元であり、同じ数値を持ちます。対照的に、磁化率と はどちらも無単位ですが、同じ物質に対して2つのシステムで異なる数値を持ちます。

ベクトルポテンシャルとスカラーポテンシャル

電場と磁場はベクトルポテンシャルAとスカラーポテンシャルϕで表すことができます

ガウス系とISQにおける電磁場
名前ガウス分布ISQ
電界
磁場B

電気回路

ガウス分布とISQにおける電気回路値
名前ガウス分布ISQ
電荷保存則
レンツの法則
オームの法則
キャパシタンス
インダクタンス

どこ

基礎定数

ガウス分布系とISQにおける基本定数
名前ガウス分布ISQ
自由空間のインピーダンス
電気定数
磁気定数
微細構造定数
磁束量子
伝導量子
ボーア半径
ボーア磁子

電磁気単位名

表1:SI単位系とガウス単位系の一般的な電磁気単位[7]
シンボルSI単位ガウス単位
(基本単位)
変換係数
電荷qCFr
(cm 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
電流statA
(cm 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −2 )
電位
電圧
φV
V統計V
(cm 1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
電界EV / mstatV / cm
(cm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
電界変位場D / m 2Fr / cm 2
(cm −1/2 g 1/2 s −1 )
電気双極子モーメントpCmFrcm
(cm 5/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
電束[c]ΦDCFr
(cm 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
誘電率ε女性/男性cm /cm
磁場BBTG
(cm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
磁場HH午前Oe
(cm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
磁気双極子モーメントメートルAm 2エルグ/ G
(cm 5/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
磁束ΦメートルワーブMx
(cm 3/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
透過性μH / mcm /cm
起磁力Gi
(cm 1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1 )
磁気抵抗H −1Gi / Mx
(cm −1 )
抵抗RΩ/センチメートル
抵抗率ρΩms
キャパシタンスCFcm
インダクタンスLHs 2 / cm

: SI量およびはを満たします

変換係数は記号と数値の両方で表記されます。数値変換係数は、記号変換係数から次元解析によって導出できます。例えば、一番上の行には とありますがこれは次元解析によって検証できます。次元解析では、クーロン(C)をSI基本単位で展開し、スタットクーロン(またはフランクリン、Fr)をガウス基本単位で展開します。

静電容量をセンチメートル単位で測定するというのは驚くべきことです。例えば、1センチメートルの静電容量は、真空中の半径1cmの球と無限遠との間の静電容量です。

もう一つの意外な単位は、抵抗率を秒単位で測定することです。物理的な例として、平行板コンデンサを考えてみましょう。このコンデンサは、誘電率が1であるものの、抵抗率は有限である「リーク」誘電体を備えています。コンデンサは充電後、誘電体を流れる電流によって時間の経過とともに放電します。誘電体の抵抗率がt秒の場合、放電の半減期は約0.05 t秒です。この結果はコンデンサのサイズ、形状、電荷に依存しないため、この例は抵抗率と時間単位の基本的な関連性を明らかにしています。

寸法的に等価な単位

表で定義されている単位の中には、異なる名称を持つものもありますが、実際には次元的に等価です。つまり、基本単位であるcm、g、sを用いた場合、それらは同じ表現となります。(これはSI単位系におけるニュートンメートルジュールの区別に似ています。)異なる名称を用いることで、測定対象となる物理量に関する曖昧さや誤解を避けることができます。特に、以下の量はすべてガウス単位では次元的に等価ですが、それにもかかわらず、以下のように異なる単位名が与えられています。[8]

寸法的に等価な単位
ガウス記号ガウス
基本単位
ガウス
測定 単位
電界EGcm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1統計V /cm
電界変位場D Gcm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1統計C /cm 2
偏光密度P Gcm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1統計C /cm 2
磁束密度BGcm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1G
磁化場H Gcm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1大江
磁化M Gcm −1/2 ⋅g 1/2 ⋅s −1ダイナミック/ミックス

数式を翻訳するための一般的なルール

上記の表 1 の記号変換係数を使用すると、任意の数式をガウス単位と SI 単位の間で変換できます。

例えば、静止点電荷の電場はISQ式で表されます。ここでrは距離であり、上付き文字「I」は電場と電荷がISQ式で定義されていることを示します。式にガウス分布による電場と電荷の定義を適用したい場合は、表1を用いてそれらの関係を調べます。表1には次のように示されています。

したがって、代入して簡略化すると、次のガウス系の式が得られます。これは、前のセクションで説明したように、正しいガウス系の式です。

便宜上、以下の表には表1の記号変換係数がまとめられています。この表を用いてガウス分布式からISQ分布式に変換するには、ガウス分布の列にある各記号をSI分布の列にある対応する式に置き換えてください(逆に変換するには、その逆)。置換またはその逆)。これにより、上記のリストにある特定の式(例えばマクスウェル方程式など)だけでなく、リストにない他の式も再現されます。[9] [10] [11] [d]

表2A: ガウス分布からISQ分布への置換規則
名前ガウス分布ISQ
電場電位起電力
電気変位場
電荷電荷密度電流
電流密度分極密度
電気双極子モーメント
磁場B磁束磁気
ベクトルポテンシャル
磁場H磁気スカラーポテンシャル磁力
磁気モーメント磁化磁極強度
誘電率
透磁率
電気感受性
磁気感受性
導電率コンダクタンス静電容量
抵抗率抵抗インダクタンスメモリスタンスインピーダンス
磁気抵抗
表2B: ISQからガウス分布への式変換の置換規則
名前ISQガウス分布
電場電位起電力
電気変位場
電荷電荷密度電流
電流密度分極密度
電気双極子モーメント
磁場B磁束磁気
ベクトルポテンシャル
磁場H磁気スカラーポテンシャル磁力
磁気モーメント磁化磁極強度
誘電率
透磁率
電気感受性
磁気感受性
導電率コンダクタンス静電容量
抵抗率抵抗インダクタンスメモリスタンスインピーダンス
磁気抵抗

表の規則を適用し、結果の式を簡略化したら、すべての組み合わせを に置き換えます

注記

  1. ^ ガウス単位を指すために「CGS単位」という用語を使用する多くの例の1つは、スタンフォード大学の講義ノートです。
  2. ^ ab 例えば、広く使われている大学院の電磁気学の教科書の一つに、JDジャクソン著の『古典電気力学』があります。1975年に出版された第2版ではガウス単位のみを使用していましたが、1998年に出版された第3版では主にSI単位を使用しています。同様に、エドワード・パーセル著の『電気と磁気』は学部生向けの教科書として人気があります。1984年に出版された第2版ではガウス単位が使用されていましたが、2013年に出版された第3版ではSI単位に切り替えられています。
  3. ^ ここでの量は電場( E )ではなく変位場( D )の磁束です
  4. ^ この表の使い方の例については、「電気と磁気の単位」を参照してください。「ガウスの公式からSI単位への変換」のセクションとそれに続くテキストを参照してください。

参考文献

  1. ^ abc 「CGS」、ラス・ロウレットとノースカロライナ大学チャペルヒル校著『 How Many? A Dictionary of Units of Measurement』所収
  2. ^ 国際度量衡局(2006年)「国際単位系(SI)(PDF)(第8版)」ISBN 92-822-2213-62021年6月4日にオリジナルからアーカイブ(PDF)され2021年12月16日に取得、128ページ
  3. ^ abc Littlejohn, Robert (2017年秋). 「電磁気理論におけるガウス、SI、その他の単位系」(PDF) .物理学221A、カリフォルニア大学バークレー校講義ノート. 2018年4月18日閲覧
  4. ^ Kowalski, Ludwik, 1986, "A Short History of the SI Units in Electricity", Archived 2009-04-29 at the Wayback Machine The Physics Teacher 24(2): 97–99. 代替ウェブリンク(購読が必要)
  5. ^ A. Garg、2012年、「Classical Electrodynamics in a Nutshell」(プリンストン大学出版)。
  6. ^ CapriとPanat著『電気力学入門』p180
  7. ^ Cardarelli, F. (2004). 『科学単位・度量衡百科事典:SI単位系における等価性と起源』(第2版). Springer. pp. 20–25. ISBN 978-1-85233-682-0
  8. ^ コーエン、ダグラス・L. (2001). 『電磁気方程式の謎を解き明かす』 SPIE Press. p. 155. ISBN 9780819442345. 2012年12月25日閲覧
  9. ^ Бредов、М. М。 Румянцев、В. В.; Топтыгин、И。 Н. (1985年)。 「付録 5: 単位の変換」。Классическая электродинамика [古典電気力学] (ロシア語)。なうか。 p. 385.
  10. ^ シンプソン、デイビッド. 「SI/ガウス公式変換表」(PDF) .プリンスジョージズ・コミュニティカレッジ. 2024年2月23日閲覧
  11. ^ ジャクソン、ジョン(1998年8月14日)『古典電気力学』(第3版)John Wiley & Sons, Inc. p. 782. ISBN 0-471-30932-X
  • ガウス単位名の包括的なリストと基本単位での表現
  • ガウス単位の進化 2016年1月9日アーカイブ、Wayback Machine著 Dan Petru Danescu
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