電気の眞相(2)ー電圧とは何かー

眞相というものに辿り着くまでの道程には、これでもかこれでもかと壁ばかりが立塞がる。物事の本質はさまざまな鎧や武装で身を固めていて、なかなかその本性を現さない。それは過去の科学技術を築き挙げて来た先人の苦闘によって得られた解釈法であるが故なのだろう。だからその概念・認識は世界に認められた常識となっているものである為、どんな人にもその解釈の基本を否定することは困難な事であるのだ。だから真相は姿を現さないということになる。一度世界の科学常識を疑えば、その奇妙さが次々と疑問の山となって立ちはだかるのであろう。電気の眞相などという程の事ではないかもしれないが、得心できる事に辿り着いてみれば、花や蝶・風の有り触れた日常に観る風景とあまり違わないものに思えてくる。それは『専門』という鎧を脱ぎ捨てて初めて、心を通じ合えるもののようだ。嘘も虚飾もない世界。そんな思いで、電気工学の基本概念『電圧』とは何かを分析してみよう。

単相交流線路電圧 先ず電圧の例として、単相交流線路を取上げて見よう。一般家庭に供給される配電線路は、その線路の長さも数キロメートルの短さである。高圧配電線(6300V)から柱上変圧器を介して100V、200Vの配電線路である。仮に周波数f=50[Hz] で考える。

単相交流の電圧単相線路

電圧計で計る電圧値は、線路間の空間に分布するエネルギー密度によって決まる電気量である。空間エネルギー密度分布とは上の図で示すδ(x,y,z,t)が電線路の間の空間に分布しているという認識を採るものである。その電線間に広がるエネルギーの分布模様が如何なるかは捉え切れない。おそらく電線導体の近傍で最も密度が高くなっているだろうとは予測できる。計測器で測定できるものでは無かろうから、その分布状況を捉える事は困難であろう。電線路間の光エネルギーと同じ物理量を計測器で測定する様な事なのだから難しい。そんなエネルギーが電圧の眞相であったからこそ、それを認識するのは困難であった筈である。だから逆に『電圧』が如何に科学技術概念として有用であるかと言うことにもなるのである。しかし自然の真理として『電圧』を捉える事は、やはりどこかに矛盾が生じる事に突き当たるのである。無意識的に『電圧』概念を真理と見る事は延いては科学技術の過信や、社会的矛盾を抱えてしまう危険も大きいということであろう。『電流』と言う科学技術概念も同じ事である。それは存在しない『電荷』概念によって世界の自然科学を構築して来た現在に通じているのである。エネルギーで観る線路電圧 にその意味を述べた。電圧計で計れるから、電圧は世界の真理として物理的な実在量との認識になるだろうが。もう一度説明する。実は線路導体間の空間に存在するエネルギーの分布がその物理的本性なのである。2本の電線に電源から電圧をかける訳であるが、それはどのような意味・物理的現象なのかということを考えなければならないことになる。電源電圧V=100[V]として、その正弦波状に変化する電圧が線路間の空間にどのようなエネルギー分布として実在する現象なのかということになる。50[Hz]なら、その1波長の長さは、エネルギー流の速度がほぼ光速度であるから、λ=6000[km]の長さになる。(2015・8・18追記)ここでの光速度が少し気掛かりになった。実際に商用電力の伝送速度が本当に光速度と見做してよいかどうかは、確認できないから分からない。今日気に成って検索したらこのぺージが出たので、光速度と決め付ける訳にはいかないかと思い、少し追記させていただく。今まで少しも気にせず、ほぼ光速度と一般常識を鵜呑みにしていたがその光速度と言う速度の速さは少し遅いのが実情かもしれない。その点お断りさせて頂く。その上での以下の記述である事をご理解いただきたい。一サイクルの波長が日本列島の長さの2倍程になるのじゃなかろうか。先ず、空間のエネルギー密度とは一般にどの程度の値なのかを示しておこう。光速度との関係から極めて小さなエネルギー量である。

空間のエネルギー貯蔵限界空間のエネルギー貯蔵限界(絶縁体空間では誘電比率で増加する。その場合は速度も減速。)

裸銅線の電線路で、電圧とエネルギー流の関係を図に示そう。

電圧のエネルギー分布仮想的エネルギー流

上の図はもし電線路が一波長分あるとすれば、電圧に対して線路上での空間エネルギーが往復振動して、線路電圧に対応する筈である。電圧と言う電線路間のエネルギー分布がその時間的変化に対応する為に位置的にそのエネルギーが移動して、線路の電圧分布に適応しなければならない。そのエネルギーは電源とのやりとりよりその近傍で対応する為の移動になると言う意味を表現した。実際は単相線路は数キロメートルでしかないから、上の電圧に対するエネルギーの流れも柱状変圧器との間の流れとなる。上の図は電圧と空間エネルギーとの関係を理解する為の基本的視点を示したものだ。しかも無負荷での電圧との関係だけに着目したものだ。ついでに一言付言したい。家庭内の配線などのようなビニル絶縁電線の場合のエネルギー伝播速度は、ビニル絶縁体の誘電比率によって決まる。もし誘電比率3とすれば、伝播速度は光速度の1/√3倍程に減速するかもしれない。この線路エネルギー分布とエネルギー脈動の関係を理解するに参考となる例を挙げておこう。  「量子力学」とは何か? 新津工業高等学校 この自作実習設備での150MHz定在波は正に上の線路間エネルギー分布とその線路内脈動の説明に有効であろう。

単相線路電圧と負荷 負荷の変動に対して、常に電源側で電圧保持機能が果たされなければならない。離れた地点の負荷の変動を電源が瞬時に知らなければ対応できない。それはどのように自動的に制御されるか。負荷に供給されるエネルギーの流れを決める原因は何か。『負荷への電力供給の原理』ここに述べる事は、今まで頭の中で曖昧模糊としていた状況を明確に捉え切った解釈法である。『電圧』分と『電流』分の二つの科学技術概念に囚われて、エネルギー流をどうしても分離して解釈する事に頭の働きが固執していた。線路空間の電圧の意味を空間エネルギー分布として捉えた事から、瞬間的に負荷電力供給の意味が開けた。エネルギーで観る線路電圧 が起点になった。その事をここで述べる。電線路の電圧保持エネルギー分布から負荷にその内の幾らかが吸収される訳である。例えば白熱電球を例に考えれば、電球フィラメントにエネルギーが貯蔵され、高温度までエネルギーの吸収が続き、光放射とのエネルギー入出力の平衡までの過渡現象を経て定常エネルギー負荷となる。この辺の負荷特性の物理的意味を考える事も、納得するには難しい事である。しかし。負荷へのエネルギー供給は線路間空間の電圧保持エネルギー分布量の一部からのものであると解釈しなければならない。負荷のエネルギー吸収が線路電圧保持のエネルギー空間分布に歪みを来たす。その歪み補償の為に、その歪み状態は光速度で電源側まで伝達される。自動的に電源電圧保持の制御でエネルギーの平衡状態が回復される。負荷変動の状況は自動的に電源側電圧保持及び周波数制御によってエネルギー供給の平衡が保たれる。それが負荷電力供給の線路の物理的原理である。その複雑と見るか単純と見るかの電力系統機能を科学技術という現代社会基盤を『電圧』『電流』等の科学技術概念で構築して来た意味を、深く理解することがまた重要な事であろう。それを学ぶ意味が「真髄」という意味の理解にもなろう。

三相送電線路系統 単相と三相では、その電圧に関わる空間エネルギー分布の示すエネルギー流の状況が全く異なる。三相の電力伝送も、負荷変動がなければ、伝送エネルギー量は発電端から負荷までの送電線路空間内を直流と同じ一定値で流れる訳である。電圧保持エネルギー分布も、単相とは異なり、送電線路上のどの地点でも、三相電線路内を流れる訳でなく、その場で相順に従った線路空間内で回転分布流となっている。三相系統は別の機会に記すことにする。

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