電磁気高校物理・化学で出てくる

磁束密度の単位 テスラ(T) の意味|基本単位で表すと kgA·s2

T=kgA·s2
次元 [M T⁻² I⁻¹]
検算のポイント

答えが磁束密度なら、右辺の単位は T(= kgA·s2) になっているはず。ならなければ、どこかが間違っています。

関連するミス例:ソレノイドの磁場で全体の巻き数 N を使う

このページでわかること
  • 磁束密度を言葉でどう言い表すか
  • その言葉を単位に置き換えると、なぜ T になるのか
  • T のいろいろな書き方と、その根拠になる公式

磁束密度とは? 言葉で意味をつかむ

磁束密度とは 磁場の強さ。1 C の電荷が 1ms で動いたときに受ける力の大きさ。

言葉の式
磁束密度 = 動く電荷が受ける力 ÷ 電荷 ÷ 電荷の速さ

言葉の式に出てくるそれぞれの言葉は、すでに単位がわかっている量です。言葉を単位に置き換えてみましょう。

言葉何の量か単位
動く電荷が受ける力力N
電荷電荷(電気量)C
電荷の速さ速度ms
[磁束密度] =N÷C÷ms
   =N·sC·m
   =kgA·s2
   =T
テスラ(T)は、この組み合わせ N·sC·m に付けられた名前です。
1 m² の面を 1 Wb の磁束が垂直に貫くときの磁束密度が 1 T。

基本単位までたどる

言葉の式に出てきた量も、さらに言葉の式で分解できます。速度 → 加速度 → 力 → 電荷(電気量) → 磁束密度 の順にたどると、すべて基本単位(m・kg・s・A・K・mol・cd)だけで表せます。

前提:速度・加速度・力・電荷(電気量)の単位(知っていれば飛ばしてOK)

速さは「進んだ距離 ÷ かかった時間」。m を s で割って ms です。

[v] =m÷s=ms

加速度は「1秒あたりに速さがどれだけ変わるか」。速さの ms をさらに s で割るので ms2 になります。

[a] =ms÷s=ms2
力 — 運動方程式 F=ma

運動方程式 F = ma で、質量 kg と加速度 ms2 をかけると kg·ms2。この組み合わせに N(ニュートン)という名前がついています。

[F] =kg×ms2=kg·ms2=N

電荷は「電流 × 流れた時間」。A に s をかけた A·s が C(クーロン)です。

[q] =A×s=A·s=C

磁場の中を動く電荷が受ける力 F = qvB から B=Fqv。N を C と ms で割った組み合わせが T(テスラ)です。

[B] =N÷C÷ms=N·sC·m=kgA·s2=T

T の別の書き方

同じ量でも、使う公式によって単位の見え方が変わります。どれも基本単位にすると一致します。

書き方根拠になる公式
T=NA·m電流が磁場から受ける力
F=IBl
T=Wbm2磁束
Φ=BS
T=H·Am2磁束密度と磁場
B=μH
T=Nm·A磁場中の電流ループが受ける力のモーメント
τ=mBsinθ

磁束密度が出てくる公式

まとめ
  • 磁束密度とは、磁場の強さ。1 C の電荷が 1ms で動いたときに受ける力の大きさ。
  • 言葉の式 磁束密度 = 動く電荷が受ける力 ÷ 電荷 ÷ 電荷の速さ を単位に置き換えると N·sC·m。
  • 基本単位だけで書くと kgA·s2。

練習問題:分子と分母を見きわめる

問題文には単位が書いてあります。計算はしなくてかまいません。どの単位が分子(上)に、どの単位が分母(下)に来るかだけを考えて選んでください。

問1磁束密度は「動く電荷が受ける力 ÷ 電荷 ÷ 電荷の速さ」で求められます。「動く電荷が受ける力」[N]、「電荷」[C]、「電荷の速さ」[ms] のとき、磁束密度の単位はどれ?

答えと解説

正解:B NC·ms

かける量(動く電荷が受ける力)の単位が分子、割る量(電荷・電荷の速さ)の単位が分母に来ます。まとめると NC·ms = N·sC·m = T。

問2電流が磁場から受ける力 F=IBl を使います。F 「力」[N]、I 「電流」[A]、l 「長さ」[m] のとき、磁束密度 B の単位はどれ?

答えと解説

正解:B NA·m

式を B について解くと B=FIl。分子・分母にそれぞれの単位を入れると NA·m = T。

問3磁束密度 = 動く電荷が受ける力 ÷ 電荷 ÷ 電荷の速さ です。「磁束密度」[T]、「電荷」[C]、「電荷の速さ」[ms] のとき、「動く電荷が受ける力」の単位はどれ?

答えと解説

正解:D T·C·ms

言葉の式を「動く電荷が受ける力」について解き直すと「動く電荷が受ける力 = 磁束密度 × 電荷 × 電荷の速さ」。単位を入れると T·C·ms = T·C·ms = N。

次に読む:磁束密度を使って表される量