クーロン（単位）とは？電荷量のSI単位を解説！（記号C・アンペア・秒・電気素量・組立単位など）

技術ブログ特化メルマガはこちら

電荷量を表す単位として使われるクーロン(C)は、電気や電磁気学において非常に重要な単位です。

クーロンは国際単位系(SI)における電荷の基本単位であり、記号「C」で表されます。

この単位は、電流の単位であるアンペア(A)と時間の単位である秒(s)を組み合わせた組立単位として定義されており、1クーロンは1アンペアの電流が1秒間に運ぶ電荷量に相当するのです。

本記事では、クーロンという単位の定義、アンペアや秒との関係、電気素量との関連、組立単位としての性質などを詳しく解説いたしますので、ぜひ参考にしてくださいませ。

クーロンの定義と記号

それではまずクーロンの基本的な定義について解説していきます。

クーロンは電荷量という物理量を測るための単位です。

クーロンとは何か

クーロン(coulomb)は、電荷の量を表すSI単位で、記号は大文字の「C」で表されます。

この単位は、フランスの物理学者シャルル・ド・クーロンの名前に由来しており、静電気力に関する研究で知られる人物にちなんで命名されました。

クーロンの基本情報

・単位記号:C(大文字)

・物理量:電荷量(電気量)

・SI単位系:組立単位

・名称の由来:シャルル・ド・クーロン(1736-1806)

電荷量とは、物体が持っている電気の量のことで、正の電荷と負の電荷があります。

電荷量という物理量

電荷量は、物質が持つ電気的性質を数値化したものです。

陽子は正の電荷を持ち、電子は負の電荷を持っており、この電荷の総量を表す際にクーロンという単位が使われるでしょう。

電荷量の性質

・正の電荷:陽子が持つ電荷(+)

・負の電荷:電子が持つ電荷(-)

・電荷の保存:孤立系では電荷の総量は変化しない

・量子化:電荷は電気素量の整数倍

日常生活では、静電気として電荷を感じることが多いです。

記号の表記ルール

クーロンの記号「C」は、必ず大文字で表記します。

小文字の「c」は別の意味(センチなどの接頭辞)を持つため、混同しないよう注意が必要でしょう。

正しい表記例

・5C(5クーロン):正しい

・5 C(5クーロン):スペースを入れるのが推奨

・5c:誤り(小文字は使わない)

SI単位では、数値と単位記号の間に半角スペースを入れることが推奨されています。

クーロンとアンペア・秒の関係

続いてはクーロンの定義式について確認していきましょう。

クーロンは電流と時間を使って定義される組立単位です。

組立単位としてのクーロン

クーロンは、アンペア(A)と秒(s)という2つの基本単位を組み合わせて定義されます。

1クーロンは、1アンペアの電流が1秒間流れたときに運ばれる電荷量と定義されるのです。

1 C = 1 A・s(アンペア秒)

つまり、クーロン = アンペア × 秒

この関係式は、電荷量、電流、時間の3つの物理量を結びつける重要な式です。

電流と電荷量の関係

電流は、単位時間あたりに流れる電荷量として定義されます。

したがって、電荷量は電流と時間の積として求めることができるでしょう。

Q = I × t

Q:電荷量(C)

I:電流(A)

t:時間(s)

例:2Aの電流が3秒間流れると、Q = 2 × 3 = 6C

この式を変形すれば、電流 I = Q/t という関係も導けます。

アンペアの定義との関連

2019年のSI単位系改定により、アンペアは電気素量を基準として定義されるようになりました。

これに伴い、クーロンの定義も間接的に電気素量と結びついています。

現在のSI定義では、電気素量eを正確に1.602176634×10⁻¹⁹ Cと定めることで、クーロンが定義されています。これにより、クーロンは基礎物理定数に基づいた精密な単位となりました。

電気素量とクーロンの関係

続いては電気素量について確認していきましょう。

電気素量は、自然界に存在する最小の電荷の単位です。

電気素量とは

電気素量(elementary charge)は、記号eで表され、陽子1個が持つ電荷の大きさに等しい値です。

電子は-eの電荷を持ち、陽子は+eの電荷を持っています。

e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C(厳密値)

約1.6 × 10⁻¹⁹ C

これは電子1個が持つ電荷の大きさ(符号を除く)

すべての電荷は、この電気素量の整数倍となっています。

1クーロンに含まれる電子の数

1クーロンの電荷が電子何個分に相当するかを計算してみましょう。

電気素量の値を使って求めることができます。

1 C ÷ e = 1 ÷ (1.6 × 10⁻¹⁹)

= 6.25 × 10¹⁸ 個

1クーロンは約6.25×10¹⁸個の電子の電荷に相当

この膨大な数からも、クーロンが非常に大きな単位であることが分かります。

電荷の量子化

自然界の電荷は、電気素量の整数倍としてのみ存在します。

これを電荷の量子化と呼び、物質の基本的な性質の一つです。

任意の電荷Q = n × e

n:整数

e:電気素量

例:電子3個分の電荷 = 3 × (-e) = -3e

ただし、クォークは電気素量の分数倍の電荷を持ちますが、通常は観測できません。

クーロンの大きさと実用単位

続いてはクーロンの大きさの感覚について確認していきましょう。

実際の応用では、クーロンよりも小さな単位がよく使われます。

クーロンは大きな単位

日常的な静電気や電子回路で扱う電荷量は、クーロンという単位で表すと非常に小さな値になります。

そのため、ミリクーロン(mC)やマイクロクーロン(μC)などの単位がよく用いられるでしょう。

1 mC(ミリクーロン)= 10⁻³ C

1 μC(マイクロクーロン)= 10⁻⁶ C

1 nC(ナノクーロン)= 10⁻⁹ C

1 pC(ピコクーロン)= 10⁻¹² C

電子回路では、マイクロクーロンやナノクーロンのオーダーが一般的です。

実用的な電荷量の例

身近な現象における電荷量の大きさを見てみましょう。

具体例を通じて、クーロンという単位の感覚をつかむことができます。

実用例

・静電気:数μC〜数十μC程度

・コンデンサ:数pC〜数mC程度

・雷:数十C〜数百C程度

・電池:数千C〜数万C(容量として)

雷のような大規模な放電では、クーロンのオーダーの電荷が移動します。

電流と電荷量の実例

電流と時間から電荷量を計算する実例を見てみましょう。

身近な電気機器での電荷の流れを理解できます。

例1:1Aの電流が60秒間流れた場合

Q = 1A × 60s = 60C

例2:0.5Aの電流が2時間(7200秒)流れた場合

Q = 0.5A × 7200s = 3600C

スマートフォンの充電などでは、数千クーロンの電荷が移動しています。

単位	記号	クーロンとの関係
クーロン	C	1 C
ミリクーロン	mC	10⁻³ C
マイクロクーロン	μC	10⁻⁶ C
ナノクーロン	nC	10⁻⁹ C
ピコクーロン	pC	10⁻¹² C

組立単位としての位置づけ

続いてはSI単位系におけるクーロンの位置づけについて確認していきましょう。

クーロンは基本単位ではなく、組立単位に分類されます。

SI基本単位と組立単位

SI単位系には、7つの基本単位と、それらを組み合わせた組立単位があります。

クーロンは、アンペアと秒という基本単位から構成される組立単位です。

SI基本単位(電気関連)

・アンペア(A):電流

・秒(s):時間

組立単位

・クーロン(C):電荷量 = A・s

・ボルト(V):電位差 = W/A

・オーム(Ω):電気抵抗 = V/A

多くの電気関連の単位は、基本単位を組み合わせて定義されています。

他の電気単位との関係

クーロンは、他の電気関連の単位とも密接に関係しています。

ボルトやジュールなどの単位とも組み合わせて使われるでしょう。

次元解析での表現

物理学では、単位を次元で表現することがあります。

クーロンの次元は、電流×時間として表されます。

[C] = [A]・[T]

[C]:クーロンの次元

[A]:電流の次元

[T]:時間の次元

次元解析を使うことで、公式の正しさを確認することができます。

まとめ

クーロン(C)は、電荷量を表すSI単位であり、1アンペアの電流が1秒間に運ぶ電荷量として定義されます。

クーロンはアンペアと秒を組み合わせた組立単位で、Q = I × t という関係式で電荷量、電流、時間が結びついているのです。

電気素量eは約1.6×10⁻¹⁹ Cであり、1クーロンは約6.25×10¹⁸個の電子の電荷に相当するため、クーロンは非常に大きな単位だと言えるでしょう。

実用的には、ミリクーロン(mC)、マイクロクーロン(μC)、ナノクーロン(nC)などの補助単位がよく使われます。

クーロンはSI単位系の組立単位として、ボルト、ファラド、ジュールなど他の電気関連単位とも密接に関係しており、電気・電磁気学の基礎となる重要な単位です。

電荷の量子化により、すべての電荷は電気素量の整数倍となっており、この基礎物理定数に基づいてクーロンが精密に定義されているのです。