月別アーカイブ: 2015年9月

電気の眞相(3)-電圧と負荷-

電気(エネルギー供給)回路、電線路の仕組みは長い歴史を通して、偉大な電気工学の権威によって築き上げられて来た。いわゆる電気理論、あるいは電気磁気学理論として、万全な理論体系と理解されている。それは数学的表現法で、多くの法則として完成しているように思われる。数式で表現されると、それは世界の真理と看做される傾向を強く待つ。
電気理論の基本中の基本は、電圧と電流である。電線路の特性は電圧計と電流計で計測できるので、まさか電圧と電流が科学技術の賜物であって、それが物理的な自然世界の眞相ではないなどとは信じられないであろう。電気の眞相(1)(2)を書いて来た。ここで最後の纏めになればと願いながら、電線路のエネルギー供給の意味を眞相(3)として取り上げたい。電線路間の空間的エネルギー分布を検証する計測法が無い事が科学論として、その厳密性を示せない歯痒さは残る。その上で次の配電線路を例に考えてみたい。

負荷変動と電圧負荷変動と電圧 街に張り巡らされた配電線路を通して、電気エネルギーが供給される。線路には多くの需要家の負荷が繋がっている。図で、ある点の負荷Pが投入された時、その点の電圧がVであったとする。負荷投入と同時にエネルギーが消費される。そのエネルギーはどこから来るのだろうか。スイッチS投入と同時に、まさか電源からそのエネルギーが瞬時に届く訳ではなかろう。あたかも、電線路のその負荷点の電圧Vが電源であるが如くに、線路近傍からエネルギーが流れ込むと解釈するのが合理的な解釈であろう。各負荷のエネルギー供給が全て電源からの負荷電流の流れとして供給されるとは考え難い。電源は遠く離れた発電所しかないのだから、そんな遠くから瞬時に投入負荷にエネルギーが送られる筈はない。いくら光速度と言ってもそれは無茶である。この辺の言説には違和感を抱かれる方も多いかと思う。電気回路は電圧と電流で解釈するのが常識であれば、電流の分配で理解しようと考えるだろう。ただ電圧と言う技術概念には、線路電圧、系統電圧などその電力送配電の規模は電圧が決めているとの感覚は誰でもお持ちであろう。その事を、一つの考え方で送配電線路の電線導体が丁度空間誘電体に対する線状コンデンサを成していると考えて見るのも良かろう。そう考えれば、電線路空間に電気エネルギーが貯蔵された状態が電源電圧周期で変動している仕組みとも取れよう。

エネルギーで観る線路電圧から天晴れ(コイルと電圧とエネルギー)  今年の4月になってから、金属導体周辺のエネルギーの様相が気になりだした。3月科学の要として静電界の解釈をまとめた事が切っ掛けである。電荷や電流概念の物理的意味の否定から始まった、電気現象解釈の道の終わりに待っていた日常生活の電気回路の話である。それは殆ど数式で表現できないような、異端の科学論の様相を示している。ただエネルギーと言う一つに対する感覚を基にした科学論でもあろう。今年になって、深い認識を得たのは上の天晴れ(コイルと電圧・・)である。配電線路のビニル絶縁電線も空間のエネルギー分布を決める要素(コンデンサ誘電体)として意味を持っていると成る。そこでのエネルギー伝播の速度(光速度)も低下する。それが電気現象の物理的な意味であり、理論物理学の対象であると同時に教育内容でなければならないだろう。しかし、科学技術の根幹を支えてきた電気回路技術は現代社会の知識として学ばなければならない基礎を成す。電流と電圧はその理解の根幹を成す。その科学技術としての意味を理解したうえで、ややもすると、それが自然界の物理的本質であるかの解釈が罷り通っている数学的論理に支配されている面が多い。その点は見直さなければならない課題として迫っている事を指摘したい。

電圧計と内部回路 ここで再び電圧計とは何かを考えたい。

電圧計と内部回路電圧計の回路 電源は交流でも同じである。電圧計の内部はコイルと抵抗の直列回路である。p1、p2点の線路電圧を計ると言うことは、その点に負荷抵抗rの負荷をかけて、その負荷に対する電圧形の内部コイルのリアクトルLv[H]のエネルギーを計ると言うことと同じ意味である。そのコイルの機能は前以って電気回路要素Lの機能とエネルギー感覚に述べた。電圧計で測定する電圧と言う対象をどの様に計器の中に取り込むかが大切な点である。その意味を上の電気回路要素Lの・・に書いた。電圧計は交流では「可動鉄片型」が使われることもあるが、「可動コイル型」と計器内のコイルのエネルギーを計測量に選んでいることには変わりがない。その事で、結局電圧計は自身の計器内の電流制限高抵抗rを負荷として、その消費エネルギーから換算されるコイルLvの貯蔵エネルギーWv=(1/2)L(V/r)^2^[J]を計測量として表示している。だから、電圧はV=r√(2Wv/L)[V] として、コイルのエネルギー√Wvを計測して、電圧目盛に利用していることになる。

電気エネルギー供給制御は電圧制御である。 配電線路による需要家への電気エネルギー供給はその点の電線路電圧がその基を成していると看做せよう。その電線路電圧は線路間の空間に分布するエネルギー分布が担っているのである。需要家の負荷が増減することにより、電線路電圧も変動する。電気事業法により需要家端電圧は100Vなら101V±5%の範囲となっていよう(?)。その電圧制御が送電系統の連携で各発電所により総合的に電圧制御がなされている。

エネルギー制御発電所の制御 50Hzと60Hzでそれぞれ別の系統になっている(ただ佐久間周波数変換所で二つも連携はされている)。それぞれの系統連係(図の点線部分で系統連係がなされている)で各系統が総合的に発電所の電圧Vgと周波数fを監視制御している。発電所の発電電力制御は発電機の回転数(周波数)と発電機電圧(励磁電流)がその制御対象となる。その基はボイラーへの供給燃料制御によってなされる。余談であるが、大事な社会的認識として理解すべき点がある。それは原子力、火力発電所等の蒸気タービンによる発電方式では、熱エネルギーの半分は海の過熱に放出しなければならないのだ。地球温暖化の原因でもある。その点で風力、太陽光発電は優れている。ただ自然エネルギーは蓄電池にエネルギーを貯蔵し、その直流電圧をインバーターで交流電圧変換する必要がある。この電線路間の空間エネルギー即ち電圧を遠くの発電所で制御すれば,電気エネルギー利用が出来る点は優れた科学技術と感謝したい。

理論に偏らず科学技術の意味を理解しよう。

一言追記しよう。発電所のタービンから発電機へのエネルギーの伝播現象について。太い軸の連結を通してエネルギーが伝達される。蒸気の熱エネルギーがタービンを通して機械的回転動力に変換され、更に軸の捩れ応力のエネルギーの発電機側への縦波(変動なしの一定値の流れ)として伝達される。その回転動力が同期発電機の磁極を系統側の電圧に対向してエネルギーを送り出す為のブレーキに逆らって回転させる訳である。熱エネルギーから回転機械エネルギーを経て最後の電気エネルギーとして系統に送りだす訳である。何を言いたいかと言うと、全て一つのエネルギーの流れであることを認識して欲しいのだ。形態は異なって見えても本質はエネルギー一つである。発電所から送りだすのも、電圧と言う技術概念ではあるが、電線路空間へのエネルギー送電なのである。

発電所効率について。 タービンと発電機の効率が95%として所内電力分を考えなくても,送電端効率は45%となってしまう。しかし、大容量でも中々そこまでは良くならないだろう。

手習いに

禅画と言うものがある。中国の古典文化に挙げられよう。筆の書や絵がその東洋的文化の香りを残している。
水墨画は墨の濃淡だけで対象に自分の心を映しこむものであろう。

模写作品模写作品 昨日紙のゴミの捨てられる中に入っていた。いつ頃書いたか覚えていないが、描いたのは覚えていた。山田玉雲著 水墨画の基礎技法 の中の没骨法の例に挙がっていた。長澤芦雪の絵のようだ。自分が模写したにしては表情も良く写し取っている。

自作の作品も一つ。

布袋と自転車布袋と自転車 自転車に乗せた水墨画。この頃は気分もこんなか。

日本雨蛙のオス

もう一度確認しようと、尋ねてみた。草むらも刈り取られて、生息環境が悪化しているからどうしているかと心配だった。それ程多くはなかったが結構の数が確認できて嬉しかった。長い間日本雨蛙のオスとメスの区別を見分けるにはと、その判断を下すに機会を探していた。今までと違って、幾らか人の意見もインターネットを通して聞いた関係で、少し考えを伝えるに安心を得たと言える。
今日の雨蛙との出会いで、オスの形態に解釈を下そうと思った。
オスはお尻、腹部が細く尖った形態である。ズボンバンドが余った細い若き自分の腹を思って苦笑い。

♂1オス

♂2おす2 この蛙は皮膚の色合いが少し日本雨蛙と違うかと言う感じもする。(2015/10/04)追記。ずっと気掛かりであった。足の模様はやはり日本雨蛙とは異なる。余りにもはっきりし過ぎた模様だから。思い出しても今までの日本雨蛙には、これほど規則的な縞模様の雨蛙には出会った記憶が無い。(2015/10/22)追記。先日から考えて見た。この模様のカエルをもし日本雨蛙と考える人が居るとしたら、おそらくオタマジャクシから育てたカエルだからであろうと思う。決して田圃のオタマジャクシを育てても日本雨蛙には成らない。

♂3おす3

♀1メス 小さいながら腹部の膨らみがメスの形であろう。

10日産れたてまれたてのオス 古い出会いの新生日本雨蛙。2013年7月10日で、夜に生まれたばかりの赤ちゃん雨蛙です。オタマジャクシでないから決して尾はありません。生まれたてでも、オスとメスが形態で判別できるかと言う例として提示する。

(2015/09/19)追記 庭にもオス雨蛙が居た。

IMG_1189オス 急いだので、反射光が入る。目木の葉に。雨蛙の特徴を一つ掴んだ。この記事の最初の写真(16日)を撮るのに苦労した。オスはなかなか表に姿を現さない。草陰に潜んでいて、追い出しても素早く逃げる。今日の写真も、草むらから突然出て来た。珍しく撮れたオスだ。それに対してメス雨蛙はほとんど動かない。人が傍に寄っても急いで逃げる事は無い。だから雨蛙の写真は殆どメスになる。このオスがどのような生殖行動をとるのか、土の中に卵塊を生むメスとの隠された秘密は。雨蛙を観察するだけで、決して特別の手を加えることはしない。

 

虹と雨蛙

日本雨蛙よ。久しぶりに姿を見せてくれた。去年この庭に、縞蛇が暫くとどまり、殆どの雨蛙を捕食してしまった。だから、またお目に掛れるかとても心配していた。ありがとうよ。

久しぶり!お久しぶり

君は今年生まれたのかね?未だ親蛙には成長していない事は良く分かる。ちょっと失礼して、身長を調べさせてもらうから我慢してね。体長は?

自然は争いもなく、ただその生命を生き抜くことに真剣で美しい。今日は、ブログ記事の間違いに気付き、訂正したばかりだ。とても気が重い時に君の姿に会えてうれしい。

 

そう言えば先日大きな虹が現れた。幸運だった。

幸運幸運

 

 

電気回路要素Lの機能とエネルギー感覚

電気回路問答を見てどのような解釈をしたでしょうか。この記事の最後にその解釈を載せる。電気回路で、エネルギーの存在を強く意味付けるものに電気回路要素のコンデンサ・静電容量C[F]とインダクタンス・誘導容量(?) L[H]がある。その内のコイルのL[H]について、その機能を考え直してみようと思う。この事を考える切っ掛けが有る。原因となった、不図突然浮かんだもの、それは直流回路の電圧・電圧計の計測器の意味である。同じ様なことばかり書いているようにも思うが、何かまだ気付かない捉え方が有るように感じる。過去の記事を挙げておく 電圧計が計るもの など。

エネルギー感覚 空間に存在する実在物理量である「エネルギー」をどのように認識しているかが分からない。科学技術の分野では、技術者はある程度感覚的に捉えていると思う。しかし、とても気掛かりな分野に思うのが理論物理学関係の専門家である。難しい数式・数学を操る理論家の意識に、空間に存在する質量に無関係なエネルギーがどのような形で映っているかである。そのような専門家の方々に、具体的で、基礎的な例として、簡単な電気回路の中のエネルギーを意識して頂ければと思って取り上げたい。コンデンサもコイルもその解釈には、電荷(コンデンサの)か電流(コイルの)概念を使って、その要素の中のエネルギーを理解することになっている。何も電荷や電流等の中間概念量を使わなくても、エネルギーそのものがその要素の中に貯蔵・放出される現象なのである。負荷抵抗はエネルギー消費の回路要素と看做されよう。しかし、エネルギー損失あるいはエネルギー消費と言うより、抵抗はエネルギーの形態変換器でしかないのである。例えば白熱電球を取上げて見よう。それはタングステンヒラメントの金属近傍空間内にエネルギーを貯蔵し、そのエネルギー量が増加して熱エネルギーとなると同時に光エネルギーに変換されて放射される現象であり、その電気要素が抵抗である。電気モーターを取り上げれば、旋盤の金属加工では、バイトで金属を削り取り、その切削の力学的加工摩擦などのエネルギー変換の機械要素で、等価的には電気抵抗で置換できる。

R-L回路 抵抗RとインダクタンスLの直列回路は代表的な電気回路だ。基本回路だから、少しでも電気を学んだ人には、誰もが馴染みの有るものだろう。筆者も電気回路の事は良く理解している心算でいた。しかし、気付かないで過ごした深い意味が有ることを知った。それはコイルとして空間に局部的に高密度の電線の巻線構造体の電気要素インダクタンスL[H]である。それは一本の電線とは異なる特別の意味を持っている。電気現象で、エネルギーの貯蔵機能が特徴的に現れる。

Lの機能Lの機能

直流回路で、電線路にある要素Lは殆ど回路要素としての意味を持たないと看做す。負荷が変動する時に、その急激な変化を抑制して、時間的に変化を引き延ばす作用を持つ位の意味で捉えていた。電源電圧もコイルには影響されずに、直接その電圧が負荷抵抗に掛かる。負荷の抵抗値がRなら、負荷電力P=V^2^/R [W] となる。

Lの機能 コイルに貯蔵されるエネルギーWは回路図のコイルに添えて示した。W=(1/2)LI^2^[J] と、回路電流Iで計算する。それが負荷特性値(P/R)[J/H](電流概念[A]の2乗の次元)で決まったエネルギー量を貯蔵しているのだ。『Lとは、回路のエネルギー消費率(電力)Pに比例したエネルギー貯蔵機能を備えた要素だ。』と言えよう。

負荷抵抗の意味 Lのエネルギー貯蔵機能を考える前に、負荷抵抗の意味を考えておこう。抵抗で電気エネルギーを消費すると言うが、消費と言うより、エネルギーを変換する機能を抵抗で表現したと考えられる。単純な抵抗だけの電気回路でも、考えるとその意味は深い。

エネルギー変換と電力負荷抵抗の意味

スイッチSを投入して、負荷抵抗に直流電圧Vを掛けた。その瞬間から電気エネルギーが負荷抵抗に供給される。負荷抵抗でのエネルギーをどのように解釈するか。負荷電力はP=V^2^/R[W]となる。この抵抗で、エネルギーを変換する訳だが、瞬時的なエネルギー量[J]を捉えることが出来ない。電力は単位がワット[J/s]で、ある時間間隔のエネルギー変換量でしかない。即ち、極限値をとってもlim dt→0(dW/dt) は上の図のとおり、一定勾配の値しか得られない。エネルギーの変換率しか認識できない事になる。抵抗でのエネルギーの考察では、電源から供給されたエネルギーの時間積分値としてしか認識できない。そのエネルギー変換の強弱が負荷電力P[W]となる。以上当たり前の事であるが、エネルギー感覚の意味の補足として取り上げた。

エネルギー貯蔵機能 負荷特性値(p/R)は負荷電力p(t)[J/s]の瞬時値に対応した値である。負荷変動の一つに電源投入時の過渡現象が有る。その時のコイルLの貯蔵エネルギーw(t)はどうなるか。

R-L回路の過渡R-L回路の過渡

一言付け加えておきたい。電流値の(2)式が示す意味は、時間tが無限時間経過しても定常値I=V/R[A] には成り得ない。どれ程の時間後に定常値になるかに答えられない。この単純な回路だから、ある程度電気現象を理解していれば、微分方程式など立てなくても(2)式となる。自然界の現象では、その空間に展開されるエネルギーの振る舞いが衝撃波で指数関数的な減衰波となると言うエネルギー感覚が身についているから、そのような波形認識で納得できるのだ。しかし指数関数は最終値の定常状態に達する時間に対する数理的確定性が欠けている。物理量が零になる時間が確定できない。この問題の解決は衝撃波の周期関数表現(ゼロと最大値の繰り返し現象)への道を開く意味で、重要と考える。

Lの貯蔵エネルギーw(t)は過渡状態においても、負荷電力p(t)に直接追従していることが分かる。w(t)=(1/2)T p(t) [J] である。

交流電源のR-L回路 直流電源に対して、次に交流電源の場合を取上げて見ましょう。三枚のファイルに採りまとめました。

交流回路の過渡現象交流過渡現象

解答例解答例

解答例の吟味解の吟味

一通り交流電源でのR-L回路の過渡現象を取り上げた。元々電流概念を否定していながらの解法についての話である。それにしても、考えれば不思議でもあり、やり切れない話である。インピーダンスZ= R+jωLまで、切り捨ててしまっては、全く立つ瀬が無い。

θ=tan^-1^ωT  この表現も数学の基本計算法の原則です。θは単位radですが、次元としては意味が見えません。ωTも単位はradです。さてこの式の左右の単位はちょと?です。コイルLのエネルギーなど、他にも議論すべき問題も有りますが、一応限りとしたい。

過渡現象と交流条件 過渡現象はどんな場合にも電気回路投入時に起こる。しかしその電源電圧に対する投入時間の影響は直ぐに無くなる。電流波形は正負で対称な波形、あるいは波形面積が等しくなる。その意味が際立つのが、整流回路負荷などと変圧器の組み合わせで起きる。その現象は「交流条件」と言うことで説明される。その事を教えられたのが名著 大学講義 最新電気機器学 宮入庄太著 丸善株式会社 p.223. 交流条件と直流偏磁 である。変圧器の直流偏磁現象について、新潟県工業教育紀要第7号(昭和46年3月) 静止電力変換回路の基礎(1) (電力用半導体整流回路)で解説した。実は新潟県工業教育紀要の全てを無くしていたので、その投稿した資料の内容は殆ど忘れていた。今回複写で手に入れた。その中の直流偏磁現象についての解説記事を示す。三相半波整流回路の直流偏磁現象写真134

自然現象表現法としての数学的手法の有効性 現代物理学の基本手法が数学的解釈に偏極している。

『電気回路問答』を考える 簡単なエネルギー考であるが記す。

写真072コイルエネルギー

問答を考える(2) 短絡事故までの短時間の現象であるが、空間エネルギーとしてもう少し考えて見た。

『・問答』を・(2)コイル空間エネルギー

コイル空間に蓄えられたエネルギーが磁気現象の全ての基になっている。磁石の吸引力もそのエネルギーが示す現象である。そのエネルギーは質量を必要としない。

八海山岩峰の起源?

先日NHK新潟放送局で放映した八海山の岩峰の姿に感動した。その山は不思議な巨峰に見えた。山の起源が問い掛けて来た。八海山は南魚沼に在る。生れ故郷の家の前に立つと、山峰を越えた奥に、ひと際目立つ雪に照り映える巨峰が見えた。それが八海山であった事を思い出した。八つの岩峰からなる。その峰の名称も、地蔵岳、五大岳、不動岳、剣岳、釈迦岳、摩利支岳、大日岳および入道岳と何か如何にも修行の峰らしい霊峰の感を受ける。
その岩峰はどのように出来上がったのか?どうも火山ではないようだ。その岩肌のごつごつした感触がその由来・起源を語っている筈だが、岩に不案内な自分にはその起源を語る術がない。岩石や宝石すべてがその起源を持っている。石の囁き聞こえますか がその不思議に目覚めさせてくれた。八海山の岩峰もその意味を問う不思議に数えたい。八海山のブログ記事今日という日を忘れずに