電子ボルトからキロワット時への換算

電子ボルト（eV）について

電子ボルトは、1 ボルト の電位差を通り抜ける電子 1 個になされる仕事にあたるエネルギーの単位です。記号は eV です。2019 年の SI の再定義以降、その値は厳密に 1.602176634 かける 10 の マイナス 19 乗 ジュール と定まりました。電気素量そのものが、いまや定義された定数だからです。

この単位が存在するのは、原子の世界にとって ジュール が絶望的に大きすぎるからです。可視光の光子 1 個が担うのはおよそ 1.6 から 3.3 電子ボルト であり、これを ジュール で書けば頭に 19 個の零が並びます。電子ボルト で扱えば、化学結合のエネルギーも、原子の遷移も、素粒子の衝突も、1 から数までの数値で言い表せます。単位に求められているのは、まさにこれです。

この尺度は、いくつもの分野をまるごと整理します。化学は数 電子ボルト に住み、それは結合のエネルギーであり、結合を断つ可視光や紫外線の光子のエネルギーです。エックス線は キロ電子ボルト を占めます。原子核物理は メガ電子ボルト で働き、それは結合エネルギーと放射性崩壊の尺度です。素粒子物理は ギガ電子ボルト を用い、そこでは陽子の静止質量が 0.938 です。大型ハドロン衝突型加速器では テラ電子ボルト を使い、その陽子は 1 個あたり 6.8 を担います。

質量も、質量とエネルギーの関係を通じて同じ単位で示されます。粒子の静止質量は、電子ボルト を光速の 2 乗で割った形で与えられますが、物理学者はふつうその除数を省き、電子は 511 キロ電子ボルト だと言ってしまいます。同じ約束のもとで、ヒッグス粒子は 125 ギガ電子ボルト です。

半導体の工学はこの単位に依存しています。ある物質の電気的、光学的なふるまいを決める バンドギャップ は、電子ボルト で表したエネルギーです。ケイ素はおよそ 1.1、窒化ガリウムは 3.4 であり、このひとつの数値が、その素子が太陽電池になるのか、トランジスタになるのか、青色発光ダイオードになるのかを決めます。

天文学は、高いエネルギーの光子についてこの約束を受け継いでいます。そのためガンマ線望遠鏡は、観測結果を波長ではなく ギガ電子ボルト や テラ電子ボルト で報告します。

粒子 の 加速 器 は、達する エネルギー に ちなんで 名づけられ、その 名 は 接頭 語 を たどります。1932 年 に はじめて 原子 核 を 割った コッククロフト と ウォルトン の 装置 は 数百 キロ 電子 ボルト で働きました。1950 年代 の ベバトロン は 十億 の 桁 に達し、反 陽子 を見つけました。そして 大型 ハドロン 衝突 型 の 加速 器 は 陽子 を それぞれ 6.8 テラ 電子 ボルト まで もっていきます。宇宙 線 は これ すべて を 相対 化 します。10 の 二十 乗 電子 ボルト まで の エネルギー で到来し、どの 装置 が作れる 量 の 数千万 倍 だからです。もっとも、その ような 粒子 は 一 平方キロメートル あたり 一 世紀 に ほんの わずか しか 地球 に届きません。

1 電子ボルト は、およそ 1.602 かける 10 の マイナス 19 乗 ジュール、およそ 3.83 かける 10 の マイナス 20 乗 カロリー に等しくなります。

キロワット時（kWh）について

キロワット時は、1 キロワット の仕事率が 1 時間流れたときに届けられるエネルギー、すなわちちょうど 360 万 ジュール にあたる単位です。記号は kWh です。世界の電力は事実上すべて、この単位で売り買いされています。

その形が有用さを説明しています。仕事率に時間を掛ければエネルギーになるので、ワット で表示された機器と、時間 で表した使用時間から、請求書にそのまま載る数値が得られます。2 キロワット の暖房器具を 3 時間動かせば 6 キロワット時 を消費するわけで、機器の銘板と メーター の数字とのあいだに換算はいりません。

家庭の消費量は、頭に入る尺度に収まります。ヨーロッパの標準的な世帯は年に 2000 から 5000 キロワット時 を使い、アメリカの世帯は 1 万に近づきます。電気ケトルを 1 回沸かすとおよそ 0.1、洗濯 1 回でおよそ 0.7、現代の冷蔵庫は年におよそ 200 です。こうした数値のおかげで、この単位は、家庭のエネルギーが実際にどこへ行っているのかを考えるための、有効な道具になります。

電気自動車がこの単位に新しい読者をもたらしました。電池の容量は キロワット時 で示され、乗用車ならふつう 40 から 100 のあいだです。効率は 100 キロメートル あたりの キロワット時 で表され、これは 100 キロメートル あたりの リットル に対応する電気側の指標です。そのうえで キロワット で表した充電の出力が、一定量のエネルギーを渡すのにかかる時間を決めます。

この単位は SI のものではなく、接頭語の付いた単位を SI 以外の時間の単位と組み合わせている点をときに批判されます。形式的に正しい代わりは メガジュール であり、実際にガスを メガジュール や ギガジュール で請求する国もあります。しかし キロワット時 は機器の定格と直結しているため、電力についてはどこでも支配的な地位を保っています。

より大きな倍量単位が電力産業を動かしています。メガワット時 は卸取引の単位、ギガワット時 は発電所の 1 日の発電量を表し、テラワット時 は一国の年間消費量に使われます。

料金 の 仕組み は、この単位を 測り であると 同時 に 合図 に変えました。時間 帯 別 の 料金 は 一日 の 時刻 に応じて 1 キロワット 時 あたり 異なる 額 を課し、卸 の 市場 は 三十 分 の 塊 で 決済 され、風 が 強く 需要 が 低い 時期 には 値 が 負 になり、発電 する 側 が 送りつづける ために 支払う ことすら ありました。蓄電 の 装置 や 電気 自動車 を もつ 家 は、安い 時間 に 消費 を移して 応じ、網 の 負荷 を ならします。キロワット 時 は また、電気 の 炭素 の 濃さ を報せる 単位 でもあり、1 キロワット 時 あたり の 二酸化 炭素 の グラム で示され、国 の 発電 の 組み合わせ を ひとつ の数値で 判じられる ようにします。

1 キロワット時 は、360 万 ジュール、3600 キロジュール、およそ 860 キロカロリー に等しくなります。