電磁気難関大の二次試験で出てくる

移動度の単位 m2V·s の意味|基本単位で表すと A·s2kg

m2V·s=A·s2kg
次元 [M⁻¹ T² I]
検算のポイント

答えが移動度なら、右辺の単位は m2V·s(= A·s2kg) 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。

このページでわかること
  • 移動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 m2V·s になるのか

移動度とは? 言葉で意味をつかむ

移動度とは 電場 1Vm あたりに得られる平均の速さ。

言葉の式
移動度 = キャリアの平均の速さ ÷ かけた電場

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
キャリアの平均の速さ速度ms
かけた電場電場(電界)Vm
[移動度] =ms÷Vm
   =m2V·s
   =A·s2kg

言葉の通りに単位を並べるだけで、m2V·s が出てきました。

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) → 電場(電界) → 移動度 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

電場は「1 C あたりに働く力」。F = qE から E=Fq で NC です。Vm と書いても同じ単位になります。

[E] =N÷C=NC=kg·mA·s3=Vm

移動度は「速さ ÷ 電場」。ms を Vm で割ると m2V·s です。半導体やホール効果の問題で出てきます。

[μ] =ms÷Vm=m2V·s=A·s2kg

移動度が出てくる公式

まとめ
  • 移動度とは、電場 1Vm あたりに得られる平均の速さ。
  • 言葉の式 移動度 = キャリアの平均の速さ ÷ かけた電場 を単位に置き換えると m2V·s。
  • 基本単位だけで書くと A·s2kg。

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移動度は「キャリアの平均の速さ ÷ かけた電場」で求められます。「キャリアの平均の速さ」[ms]、「かけた電場」[Vm] のとき、移動度の単位はどれ?

答えと解説

正解:A msVm

かける量(キャリアの平均の速さ)の単位が分子、割る量(かけた電場)の単位が分母に来ます。まとめると msVm = m2V·s。

問2移動度 = キャリアの平均の速さ ÷ かけた電場 です。「移動度」[m2V·s]、「かけた電場」[Vm] のとき、「キャリアの平均の速さ」の単位はどれ?

答えと解説

正解:D m2V·s·Vm

言葉の式を「キャリアの平均の速さ」について解き直すと「キャリアの平均の速さ = 移動度 × かけた電場」。単位を入れると m2V·s·Vm = ms。

問3移動度 = キャリアの平均の速さ ÷ かけた電場 です。「移動度」[m2V·s]、「キャリアの平均の速さ」[ms] のとき、「かけた電場」の単位はどれ?

答えと解説

正解:B msm2V·s

言葉の式を「かけた電場」について解き直すと「かけた電場 = キャリアの平均の速さ ÷ 移動度」。単位を入れると msm2V·s = Vm。