MKSA単位系

MKSA単位系：メートル、キログラム、秒、アンペアによる物理量の体系

MKSA[単位系]]は、メートル]、[キログラム]、[秒]、[アンペア]の4つの単位を基本単位とする、一貫性のある[[単位系です。これは、力学現象を扱うMKS単位系に電流の単位であるアンペアを加えることで、電磁気学の現象も記述できるように拡張されたものです。MKS単位系では力学的な物理量のみを表現できますが、アンペアを追加することで電磁気学における電圧、電力、磁束などの物理量も扱うことができるようになります。

現在広く用いられている国際[単位系]は、MKSA[単位系]]をさらに拡張したもので、ケルビン]、[モル]、[カンデラ]の3つの基本単位を追加することで、熱[[力学、化学、光学の分野も包含する包括的な単位系となっています。そのため、MKSA単位系はSI単位系の基礎を成す重要な単位系であり、MKSA単位系の単位のほとんどはSI単位系でも用いられています。

MKSA[単位系]]と類似の単位系として、第4の基本単位にクーロン]を用いたMKSC[単位系やオーム]を用いたMKSΩ[[単位系なども提案されました。これらの単位系は基本単位の選択こそ異なりますが、最終的に導かれる組立単位はMKSA単位系と同一であり、定義方法の違いに過ぎません。また、ジョルジ単位系と呼ばれる場合もありますが、これは基本単位の選択に限定した呼称ではなく、より広い概念を表しています。

MKSA単位系の歴史：実用単位からの発展

19世紀末、電磁気の単位の体系化が進む中で、国際的な標準単位系はCGS単位系でした。しかし、CGS単位系は電磁気学の単位を3つの基本単位のみで表現する3元系であり、実験物理学者や技術者にとって不便な単位の大きさが問題となっていました。この問題を解決するために、CGS単位系を拡張した電磁単位系が複数提案されましたが、これらの単位系は、物理定数の1つを無次元量として1と置くことで3元系を維持するものでした。

そこで、実用的な単位の大きさを持つ[単位系]]が求められ、実用単位が導入されました。1874年、英国科学振興協会(BAAS)はボルト(V)とオーム]を実用単位として導入し、その後、[国際電気会議でアンペア]、[クーロン]、[ファラド]、ヘンリー(H)、[ワット]、ジュール(J)などが追加されました。しかし、[[力学のCGS単位系と電磁気の実用単位系を統合しようとすると、5つの基本単位を持つ単位系となり、冗長で破綻した体系になってしまいます。

この問題を解決するために、[1901年]]、ジョヴァンニ・ジョルジはMKS単位系に実用単位の1つを第4の基本単位として加えることを提案しました。実用単位はセンチメートルやグラムから誘導された単位を含まないため、MKS単位系と実用単位系は矛盾なく統合できます。第4の基本単位としてアンペアが選ばれたのは、簡便な定義と他の電磁単位を誘導する合理性からでした。1948年の国際電気標準会議]と[1950年の国際電気標準会議]でMKSA[単位系が採択され、1960年の国際[[単位系]でも引き継がれました。

MKSA単位系の特徴：有理系と非対称性

MKSA単位系は、広く用いられた電磁気単位系の中で唯一、MKS単位系の拡張であるという特徴を持ちます。4元系であるため、電磁気単位が便利な大きさになるよう、第4の基本単位の大きさが調節されています。この大きさは、歴史的にはMKSA単位系に先行する実用単位の大きさを受け継いだものです。

MKSA単位系は有理系であり、マクスウェル方程式から4πが消えます。しかし、クーロンの法則やビオ・サバールの法則などには4πが現れます。これは、非有理系では単位電荷から4π本の単位電束が出ることと対照的です。

また、MKSA単位系はCGS電磁単位系やCGS静電単位系とは異なり、完全な対称性を持っていないという特徴もあります。E-H対応ならば数式は対称になりますが、E-B対応の場合は非対称になります。真空の透磁率μ0と真空の誘電率ε0の値にも、CGS電磁単位系に由来する非対称性が見て取れます。

基本単位の選択と国際単位系との違い

MKSA単位系では、基本単位としてアンペアが選択されたことにより、組立単位の次元指数にいくつかの特徴が現れます。例えば、電気と磁気の単位における次元指数が非対称であることや、次元指数が全て整数であることなどです。これらの性質は、MKSA単位系以外の類似単位系では異なる場合があります。

MKSA[単位系]]は力学と電磁気学の単位のみで構成されていますが、国際単位系]はさらに熱[[力学、化学、光学の単位を含んでいます。そのため、SI単位系にはMKSA単位系には含まれない多くの組立単位が存在します。

まとめ

MKSA単位系は、電磁気学を含む広範囲の物理現象を記述できる、一貫性のある単位系です。実用単位を基に発展し、SI単位系の基礎を成す重要な単位系として、現在も科学技術分野で広く利用されています。その歴史と特徴を理解することは、物理現象の理解を深める上で非常に重要です。

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