電子ボルトからワット時への換算

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。

ワット時（Wh）について

ワット時は、1 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 3600 ジュール にあたる単位です。記号は Wh です。キロワット時 の小銭にあたり、エネルギーの量が千の位で言うには小さすぎる場面で使われます。

おもな縄張りは電池です。ノート型計算機、電話、電動工具、携帯用スピーカーの容量は ワット時 で示され、機器どうしを比べるときに意味をもつのはこの数値です。ふつう セル に印刷されている二つの数を掛け合わせたものだからです。3.7 ボルト で 3000 ミリアンペア時 と書かれた電池はおよそ 11 ワット時 を蓄えており、アンペア時 の数値だけでは、電圧がなければ何の意味もありません。

航空の規則が、この単位を思いがけず世に広めました。100 ワット時 を超える リチウム 電池は、航空会社の承認なしに客室手荷物として持ち込めず、160 ワット時 を超えるものは旅客機からまったく締め出されています。ノート型計算機や カメラ の電池にこの数値が印刷されているのも、携帯用の充電池がしきい値のすぐ下に収まるよう設計されているのも、そのためです。

小規模な発電もこの単位を使います。庭灯の太陽電池、環境から電力を集める センサー、自転車の発電機は、キロワット時 ではなく 1 日あたりの ワット時 を生み出します。電池 1 本で何年も動くように作られた低消費電力の電子回路は、ミリワット時 で見積もられます。

この単位は、キロワット時 に向けられるのと同じ批判を共有します。SI の整合的な仕事率の単位を、SI 以外の時間の単位と組み合わせているからです。厳密に SI で言えば正しい表し方は 3600 ジュール、すなわち 3.6 キロジュール であり、科学の文章は ジュール を使います。それ以外の場所では、機器の定格との実用的なつながりが勝ちます。

蓄電の設備は、家庭用の電池から系統規模の設備まで、同じ出発点から キロワット時、メガワット時 へと段を上がっていくので、この一族全体がひとつの計算を共有しています。

ここ で、よく ある 取り違え を ほどいておきましょう。電池 の 素子 は ふつう アンペア 時 か ミリ アンペア 時 で 表示 されますが、これら は 電荷 を測るもの で エネルギー ではありません。アンペア 時 が 同じ 二 つ の 素子 でも、電圧 が 違えば 蓄える 量 は かなり 異なります。アンペア 時 に 公称 の 電圧 を掛ければ ワット 時 が出ます。3.85 ボルト の 3000 ミリ アンペア 時 の 電話 の 素子 は およそ 11.6 ワット 時 をもちます。機器 どうし の 容量 の 比較 が ワット 時 でしか 意味 をもたない のも、航空 会社 が 上限 を ワット 時 で定めるのも、ミリ アンペア 時 で 宣伝 する 携帯 の 電源 が、自身 の 変換 の 損失 を数えれば その数値ほど 出せない ことがあるのも、その ためです。

1 ワット時 は、3600 ジュール、0.001 キロワット時、およそ 0.86 キロカロリー に等しくなります。