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磁気特性(B-H曲線)と計量単位の意味を問う

電気材料に磁性材料がある。変圧器の磁心やマグネットに使われる。その磁気特性の良し悪しが重要な意味を持つ。電磁気機械の性能を支配し、製品の利用度を左右するから。磁性材料の開発の評価にはその磁気材料のB-H特性が使われる。材料に掛ける磁界H[A/m]と磁束密度B[Wb/m^2](あるいは[T(テスラ)])で示される特性(B-H曲線)である。
資料を参考に描いてみた。

磁気特性とは?磁気特性とは? 磁気材料は大きく2種類に分けられよう。電力機器用の鋼板とマグネット用の物。マグネットの材料にネオジムと異方性フェライトを選び、ある会社の資料の特性を記した。マグネットの場合は第二象限のみの特性で評価するようだ。電力用の磁気特性はケイ素鋼板の古くJIS規格C2551のS23Fを選んだ。その3種類のB-H特性をまとめて描いた。ケイ素鋼板JISJIS規格は現在国際規格ISOなどに統合されている。JIS規格図表は電気工学ハンドブック(昭和45年再版2刷)による。マグネット用とケイ素鋼板の違いは保磁力Hc[A/m]の違いに在るようだ。マグネットは残留磁気Br(磁気H=0のときに残る磁界の強さ)がその特性として重要であり、環境で磁気の強さが減少しないために、保磁力の大きさが必要である。一方、電力用はB-H曲線の内面積の小さいくて、鉄損失が少ない方が望ましい。

鉄心磁束の発生原因 それを励磁電流と考えるべきでない。鉄心のコイルや変圧器の機能で、どうも励磁電流に固執した考え方の方が多いようだ。磁束とか磁場を電流が基になると言うアンペアの法則を基本に考えるからのようだ。起磁力H[A/m]が、電流の単位[A]に基づいているから止むを得なかろうが、それでは困るのである。②のように鉄心にコイルを巻いて、その鉄心内の磁気特性(B-H曲線)を説明しておこう。コイルの鉄心内の磁束Φ=AB[T]、ただし鉄心断面積A[m^2]とする。さてコイルに電圧vを印加する。磁束の変化する意味を理解するために、電源電圧の波形を正弦波でなく方形波とする。正弦波では、磁束量と時間の関係をB-H曲線上に捉える事が難しい。しかし電圧値が一定の方形波なら、磁束Φ(B)量と時間を比例関係で捉えられる(時間軸を縦軸の磁束密度と同じくとれる)。そこで、①のB-H特性の内のフェライトとケイ素鋼板の場合を取上げて、③に磁束Φと起磁力Hcあるいは励磁電流iの関係を概略(磁束量Φはフェライトとケイ素鋼板の鉄心断面積、巻数などで同じくは無い。しかし波形は三角形状に一定勾配で増減する。それは電源電圧が一定であるから。)の波形で示した。その時の電流波形の違いを図に示した。磁束が励磁電流で決まるという考えは捨てて欲しい。電圧の時間積分(コイル巻数nとして、∫(v/n)dt)の値で磁束は決まり、電流値で決まるのではない。それがファラディの電磁誘導の式の意味である。以上は、磁束Bと起磁力あるいは保磁力Hcの技術用語を基本に解釈をして来た。しかし、磁束とは何か?起磁力とは何か?その鉄系金属内の電磁気量の意味を考えて見よう。

磁束密度B[Wb/m^2]、起磁力Hc[A/m]の計測法を尋ねる。磁束量Φはどのような量か?次元は[Wb=Vs=(JH)^1/2^]である。電圧時間積かエネルギーとヘンリーの積の平方根かである。なお、電圧V=(J/F)^1/2^、時間s=(HF)^1/2^である。またコイル内の鉄心は断面積で磁気量が均一である保障は無い筈。電気回路の電圧と電流の意味は考察を重ねて来て、電線路空間のエネルギー分布に在ることを明かにして来た。しかし、最後の電力用変圧器の機能を分析しようと考えると、磁気に関する科学技術概念の物理的意味を問わなければならない。物理学はそれに応えてはいないと考える。電圧や電流がエネルギーの計測技術量である事を考えれば、磁束や起磁力も当然エネルギーで統一してその物理的意味を理解する必要に迫られていると考える。そんな事を考える時、アンペアの法則での磁気現象の解釈ではその物理的論理性が完全ではない事に気付いて欲しいと思う。だからと言って、ここまで築き上げて来た電磁気技術の有用性が失われる訳ではない。その科学技術の深い応用性は、その意味を知ればなお益々輝かしいものと理解できる筈である。自然の根本は極めて単純である。だからこそ複雑な変幻自在の姿で現れるのであろう。砂鉄一粒に思いを込めて砂鉄。砂鉄一粒に連結の意味を問えば、エネルギーの回転流が見えてくる。

 

砂鉄

砂鉄ひと粒

詩心 乗せて観世の 帆掛船」で前書き代わりに詩を綴った。久しぶりに作った。鉄はどこから生まれてか。

砂鉄はマグネットと仲良しだ。円マグネット砂鉄のリング 円マグネットの縁に直径より少し小さめなリング模様を描く。小さな砂鉄が繋がって筋状の列の集合模様だ。砂鉄の寸法は0.3mm~0.1mm程度だろうか。砂鉄にも様々なものがあるようだ。マグネットと仲良しの基は磁鉄鉱と言う種類の特性があるかららしい。地球星の歴史の中で、どんな世界を辿って来たかと思えば、一粒にも不思議な世界が思われる。マグネットは見ても何も姿を見せない。砂鉄を振りかければ、たちどころにその姿容を見せてくれる。それは天然の心の表現だ。その読み取りは人間の翻訳の感性に委ねられる。

冶金の曙 砂鉄に砂鉄に関する解説あり。

磁束と科学理論

身近な生活の中に溶け込んでいる科学の不思議がマグネットである。冷蔵庫などのメモ止めに重宝だ。科学で説明を求めると途端に難しい話になる。磁束とクーロンの法則が理解を妨げる絶壁となって立ちはだかる。科学理論の根本法則は覚えなければついて行けない。理解の範囲を超えている。その意味を、理解できない自分の感覚でまとめて見た。磁束って何だ!磁束の意味? 方位磁石に鉄Feを近付けるとその方向に向く。何か力が働いたからだ。冷蔵庫の扉には鉄板が使われている。マグネットとその鉄板の間に強力な力が発生する。それは近付くほど強くなる。メモを挟んだマグネットは扉の鉄板にがっちり張り付く。その力と距離感との感覚的認識とがクーロンの法則で誠に矛盾なく納得できる。しかし科学理論と言うものは誠に不思議なものである。マグネットも、変圧器理論も磁束無しには説明できない。ところが磁界に関する物理学理論では、div B =0 がどこの磁場空間でも基本条件となっている。それは磁束を発生する源がないと言う意味である。世界に元(原因)が無ければ結果(磁束)は発生しないと言うのが世界に常識である。確かに磁束は感覚的にはとても馴染みやすい概念である。そんな便利な概念に何故疑問を呈するかと訝る人が多いようだ。特に磁束概念で電気理論を教えている方々に。もし磁束を描こうとしても、その表現法は閉じた円環でしか表現してはいけない事なのだ。磁束の増減を、矢印では描けないのだ。

磁束(と言う概念で解釈する物理量)の本質はエネルギー回転流だ この事は磁界・磁気概念の本質に述べた。

鋏の磁化 手元に在る鋏を調べた。磁化されている。SNSと刃先、中間および手元と三極に磁化されている。ナイフも磁化されている。摺り合わ(摩擦のエネルギー貯蔵)される用具は磁化されるのか?

愉快な電気回路の仲間達

最近、電気物理とは何かと考える事が多くなった。電気技術回路理論と電気物理学は全く異なった研究対象分野であると思うから。そんな意味を電気回路で表現してみたくなった。先日、『先従隗始』の諺を見た。先ず自分から始めよと言う意味もあるようだ。無意味な回路にも意味があるかと思った。

エネルギー流は?エネルギー流は?

電源とランプ負荷の間に役にも立たない回路らしくない電線路を繋いで見た。何の為かと言うと、電気物理とは何かを考えてみたいと思ったからだ。物理とは物事の『理』を極める学問の領域であろうと思う。電気科学技術の『電流』や『電圧』の意味は電気物理学として極めるには、それがどのような実体を指すのか先ず理解することとなろう。自然現象は電気回路や宇宙の世界あるいは動植物の世界で、みんな異なった理論で解釈する様なものではない筈だ。それらを結び付ける物は日常生活の中の主役『光』しかなかろう。電気現象も「光速度」で光そのものと同じである。その中で、電気現象回路の特徴を挙げれば、空間に電気材料の主役として『銅』と『鉄』および『絶縁物質』で構成されたエネルギー利用機能設備となろう。科学技術はエネルギー利用効率を高め、無駄を省くのがその研究対象である。しかし、電気物理は理論を極める対象だから、大いに無駄な真逆の研究が重要であろう。そんな意味で上に挙げた回路が電気物理現象を考えるに良かろうかと思う。この回路を実際に実験してみたいものだか未だそこまで至っていない。ただ、天晴れーコイルと電圧とエネルギーの今年の実験結果があるから取り上げられる。

個性派珍回路機能要素 6個の回路要素を上げた。①はエナメル銅線を塊状に丸めて銅盤上に置いた回路(?)。この要素の電流と電圧はどんな具合に解釈すれば良いかと言う問答である。まず最初にこの回路を見てどう感じるかである。コイルとコンデンサの機能を思うか。そのエネルギーをどのように感じるか。コイルには磁束。コンデンサには電荷。そう解釈の糸口を考えるのが教科書の電気磁気学の常識的思考の基本である。その磁束と電界でエネルギーを表現できるか。②同軸ケーブルと言う。この回路要素をコンデンサと感じられるか。コイル要素は殆どなかろう。絶縁物、ジュートなどの材料で誘電率が変わりその分伝播速度の低下(光速度の低減)が起きる。電気エネルギーが誘電体内を伝播するからである。③直交型コイルとでも言えようか。二つのコイルが噛み合わされたものだ。このコイルは二つのコイル巻数を同じとして、最大巻き込んだら、その形状はどのようになるだろうか。直交のエネルギー流(磁束ではない)が回路機能に及ぼす作用はどのようになるか。④は磁気材料の鉄の意味を考える回路である。鉄は変圧器に欠かせない電力送配電設備の要の電気材料である。当然アンペアの法則で磁束を考えるであろう。鉄の筒の中に導線が通る訳だから、どこに磁束が通るかと考える。アンペアの法則によれば、銅線周りは磁束が強いが、少し離れれば、磁束は半径に反比例して減少することになっている。交流と直流では、導線からの半径に対する現象伝達速度から光速度の意味を加味しなければならないと言う意味の違いはあろう。そんな導線と鉄筒間の空間的関係も考慮すべきではあろうが、重要な視点として鉄の中でのエネルギーの貯蔵・放出をどのような現象として捉えれば良いかである。鉄の磁気特性に因りエネルギー損失の程度が変わろう。熱として放射されれば損失となる。それは変圧器の鉄心材料と同じ意味を持っていると解釈する。この回路は負荷回路ともなる。鉄心の発熱特性により負荷抵抗器ともなる。導線を鉄で被覆すれば。その発熱原理は電流のオームの法則とは違うことになる。あくまでも空間エネルギー伝播現象による解釈となる。その空間エネルギー伝播現象に対して、線路電圧のエネルギー分布が鉄によって遮蔽されることになるのか?それなら鉄の代わりに銅管の中に導線(銅管による遮蔽)を通したら、空間エネルギー分布はどうなるか。エネルギーはどこをどのように通るか。⑤銅板を貫通する。銅板とは絶縁貫通か一体形状かによって違いがあろう。空間エネルギー流に違いがある筈。⑥電気技術では決して採らない回路形式である。鉄板の渦電流で発熱するから。鉄板貫通部の発熱は間違いない。それは鉄がエネルギーを熱に変換する現象とみる。⑤の銅板では起きない現象が鉄板では起きる。それは鉄と銅の原子周期律表で、原子番号が3つ違うことに因る原子の違いが基になって起きる。鉄Feと銅Du に疑問を記した。

鉄と銅 電気機械の鉄と銅の比率でその特性に特徴が現れるようだ。その金属表面における空間エネルギーの境界の相互干渉現象のように思える。銅はエネルギーの内部侵入を避けて反射し、鉄は内部への吸収で、貯蔵する特性の違いを持っているように解釈できる。鉄の特徴である磁気特性とはどのような現象かが『問答』になろう。よく磁区と言う結晶構造で解釈される。それを磁束で理解しようとしても、磁束そのものが仮定の技術概念であるから、物理的意味を理解できないだろう。磁区に因る解釈が基本的には正しい筈だ。エネルギーの貯蔵形式を鉄金属の磁区に求めるなら、その結晶構造の軸性エネルギー回転流の保持機能として理解するより他には無いだろう。変圧器における鉄心への考察からの結論である。

鉄との関係回路要素④と⑥ この回路で何を考えるか。電気エネルギーの伝送状況あるいはその原理を考えたい。『電流は流れず』と唱えて来た。それは銅線の中を電子や電荷が通過するのではない事を唱えて来たのだ。電子がエネルギーを背負って負荷まで届ける訳ではなかろう。余りにも当たり前の事でありながら、何故電子が導線の中を流れて、負荷にエネルギーを運べると解釈するのか。そんな事は無理である。自然が単純な故に理解できない複雑性を表す現象を考えれば考える程、人間流な複雑性で理解しようと考える。確かに、原子力発電所で核燃料を燃やすと、その熱エネルギーが如何にも魔術に掛けたように、電気エネルギーと言う目に見えないエネルギーとして手元の届くのである。単純に考えれば、熱が送配電線路を通して何も違いの無いエネルギーとして科学技術の御蔭で利用しているだけなのである。電気も熱も同じものなのである。だから雷も水蒸気の熱エネルギーが原因なのである。とそんなことを踏まえて、鉄の吸収するエネルギーの仕組みを考えて見ようか。遠隔作用と近接作用の事でもある。銅の金属導体はエネルギーを反射するあるいは受け入れない。しかし導体と言う意味のようにエネルギーを導く金属体の性質がある。導体表面近傍のエネルギー密度が高いが、内部には殆ど侵入できない。だから熱損失(変換)は少ない。それは銅金属の原子的構造が持つ特性であろうが、その構造的な意味の原理は分からない。それに対して、鉄は金属結晶構造の磁区と言う空間構造がエネルギー流の侵入を磁区の回転エネルギーとして受け入れやすい特性を持っていると解釈する。原子結晶構造の空間的構造がそれを可能とする。磁石の磁化はその保持エネルギーの回転流を表面の空間に影響を及ぼし、それが磁石の特性となる。少し話が逸れた。もし導線内に電子が流れて・・と言うような解釈をするなら、その電子が何故遠隔作用で離れた部位に磁束のようなエネルギーを造り得ると考えるのか(アンペアの法則?)。電子にはそんなエネルギーを背負っている訳ではないが、複雑に仮定概念を組み合わせて、解釈するのが電気理論である。電流と電圧とは何かを、その物理的意味を追究するより他には理解の道は無い。ここに述べた事は、数学的理解力がない自分の自然解釈の方法でもある。

電気回路要素Lの機能とエネルギー感覚 コンデンサ型配線の・・ 電気の眞相(3)-電圧と負荷ー

樹齢に刻む

もう20年以上も前のこと。晩秋の秋山郷から長野の山里を訪ね回った。一軒の通りすがりの家の人に話をした。その庭先で、とても風格のある切株に目が留まる。厚かましくも見ず知らずの人におねだりして頂いて来たものだ。ずっと手元に置いた。切口の長径9cm程の切株(切枝?)。

漲る思い漲る思

魂の年輪

ブナの木かと思う、その姿に魂の年輪を刻んだのかと。

叫ぶ叫ぶ 何を叫ぶのか、その思いが届くやら。

年輪年輪 数えれば丁度還暦に成る。

星空を仰ぐ

弓張月に流れ星夜空も遠くなった。街燈や街の明かりが星を暗くしたから。未明に空を仰いだ。新月に近い月影が弓張り月の風情を木星と金星に向けて光っていた。秋の透き通った星空に、オリオン座の三ツ星と小熊座の北斗七星と共に月影が郷愁を誘う。何故か星の世界は生命の故里へとこころを引き戻すような感覚にする。丁度オリオン座の方向から弓張り月の代わりに流れ星を双筋描いた。

とんでもない(コイルのエネルギー)

とんでもないの意味:思いがけない、意外である、また途方もない。等とある。昔、「風をつかまえる様なとんでもない問ひ様かな」などと使う例がある。なかでも、途方もないが意味深長だ。1.手段が尽きて迷う。2.条理に外れている。途轍もない。さらに、3.ずば抜けている。と吉凶の意味を含んでもいる。電気回路に日本語を織り交ぜた標題にしてみたい気分で。
電流計の仕組みを記事にした。そこで、電流計の解説記事はどのようかと調べさせて頂いた。そこには、コイルのエネルギーについての踏み込んだ解説はなかった。それは止むを得なかろう。電気の教科書ではコイルのエネルギーが何かを明確に捉えていないように思える。巻線のコイルに電流 I [A] が流れると、(1/2)LI^2 [J] のエネルギーが蓄えられると考える。その時の、『エネルギー』とはどこに実在するのかと言う基本的疑問に答えられるだろうか。電流はエネルギーではない。電流で磁束を造るから磁束がエネルギーかと言ってみても、そうではない。じゃあエネルギーはどこにどのように存在するのかである。みんなが『エネルギー』とは何だと認識しているのだろうか。「質量」が無くてもエネルギーが在ると認識出来るだろうか。夕餉のご飯支度で、味噌汁の臭いが立ち込める。水が沸騰し、材料が煮るのはエネルギーが加えられるからだ。それを熱と言うが、その鍋を通して入り込むエネルギーには質量など無い。エネルギーとは何かと言う、こんな単純な疑問にも答えられない筈はなかろう。そこには難しい数式など必要ではない。誰でも分かる単純なことの筈だ。だから「とんでもない」と言う意味の吟味が必要になるのだ。

コイルの実験で見えた謎 再び今夏の実験の意味を考える。それは科学実験といえる程の事でなく、余りにも単純すぎる電気回路実験である。しかしその結果に含まれる意味はとんでもなく重要な事柄と言わざるを得ない。実験供試回路は実験供試コイルである。コイルと電圧とエネルギー で取上げた再実験(1)の③コイルとランプの直列回路。その一つの実験結果を再び取り上げて、吟味しようと思う。その実験結果を再掲する。

実験と電圧

電源電圧108V、負荷ランプ電圧107V である。殆どコイルへの印加電圧はない。コイルは赤い線、難燃性架橋ポリエチレン絶縁電線1本とポリウレタン銅線2本を揃えて、29回(ポリラップの紙巻き筒に)巻いた。回路を図の右に展開図に書き換え、そのコイルの問題としたい電圧値を示した。展開回路と電圧の謎―含意『電流は流れず』-と説明を付けた。

電圧の謎 何を謎と観るか。コイル2-2’と3-3’は同じポリウレタン銅線で、隣同士で巻かれている。電圧はコイル1-1’と2-2’に印加した。コイル3-3’は電源電圧から自由である。勿論コイル3-3’の電圧は0.0V である。そこで、コイル3-3’の端子3’と他のコイル端子1’および2’との間の電圧を測定した結果を図に記した。2’との間の電圧は22.8V 、1’との間のそれは62.1V である。この二つの電圧の値の違いが謎である。既にこの意味は元の記事で吟味し、更に天晴れ(コイルと電圧とエネルギー)で結論も述べたようだ。それを再び取り上げた訳は、電気回路解釈の基本である電流の意味をはっきりさせたいからである。電圧の何が謎か。3つのコイルには電圧は殆ど掛かっていない。それなのに、3’と1’の端子間に62.1Vの電圧が検出されることが謎である。交流電線路で、誘導電圧ということは知られている。その事なら、端子2’と1’との間での差が大き過ぎる。3つのコイルは接近して巻いてあるから、コイル3-3’はコイル1-1’と2-2’に挟まれた位置関係に在る。その線の配置関係を等価的に平面上に表現するのが難しいので、分かり易い図面解説が出来ない。

コイルのエネルギー 実験結果を検証するにはコイルに蓄えられるエネルギーとはどこに存在するかが理解できなければ無理である。インダクタンスL[H]に電流が流れてコイルにエネルギーが貯蔵されると解説される。その文章は極めて抽象的な表現である。コイルは空間にその形状を思い描くことが出来る。それは具象的である。しかし電流が流れると言う言葉を分解したとき、どこに流れて、その為にコイルのどの部分にエネルギーが電流に因って貯蔵されるかは具体的に描きようが無い。その電流に因る解説は抽象的解説である。抽象的な表現は表現者と鑑賞者の間に厳密な理解のつながりが出来る保証はない。あくまでも「エネルギー」がコイルの空間に対してどこに存在するかを示す必要があろう。コイル導体の金属中には無理であることは分かろう。エネルギーの空間的実在性を理解できれば、それはやはりコイル導線の中ではない筈だ。その意味をはっきり示したい。

コイルのエネルギー

コイルのエネルギーを緑色で示した。δ(r,t)はコイル近傍空間のエネルギー密度[J/㎥]である。コイルに印加する電源電圧を方形波波形とした。それは半周期ごとに電源電圧が反転するので、直流電圧がプラス、マイナスで極性が切り替わることと同じ意味も含ませて、エネルギー流の流入電線の切り替わりも考える為でもある。極性の影響がマイナス側で流入が強いかとの意味でもある。また、線路電圧は電線路間の空間に存在する空間エネルギー分布によって決まる値であり、その意味が上の実験結果の考察に欠かせない。そこで、実験結果を理解するにコイルのエネルギーを先ず示した。なお、電流iの波形も付記したが、コイルが空心であるため、電圧時間積分に従って、比例的に増加することになる。

実験結果の電圧の意味 電源電圧の殆どは負荷のランプに掛かっている。従ったコイルに掛かる電圧分は僅かである。そのコイルの終端の端子1’、2’と3′ 間の電圧を測定した。コイル3-3’には電源電圧は掛かっていない。端子2’より端子1’との間の電圧が際立って大きい値だ。その訳をどのように解釈するかがこの実験が含む重要な問答の要である。コイルの意味を考える為の展開回路を示す。

展開回路とコイルエネルギー

コイル3-3’は絶縁体の架橋ポリエチレン電線1-1’と隣り合わせの位置に在る。さて、電源電圧は端子1と2’間から印加され、その線間の空間のエネルギー分布として負荷にエネルギー供給がなされる。そのエネルギー分布は絶縁誘電体の誘電率特性によって決まる。その結果、コイル1-1’の電線近傍にエネルギー密度の高い分布を来たし、端子3’と1’間の電圧測定値が62.1Vと大きな値となったのである。このコイルは、観方で電線間でのコンデンサ素子と同じ機能と看做すことが出来る。この解釈は今までの電気回路理論では理解できない筈である。だから、とんでもないだ。電気の眞相(3)ー電圧と負荷ーおよびコンデンサ型配線とエネルギー伝送に関連記事を記した。

電流は流れず  ここで具体的なコイルの実験によって得られたことが何を意味しているかと言えば、それは金属導体の中を流れると考えている「電気磁気学」の理論の『電流』が間違いであることを示したのである。導線の中を『電子』も『電流』も流れてなどいないのである。電磁エネルギーの発生・伝播・反射および吸収に関する考察(1987年10月、電気学会電磁界理論研究会資料、EMT-87-106)で、電磁気学の『電流』基本概念を考察し、p.149、150でその概念の曖昧な矛盾を指摘し、5.むすびで、「・・、結果的には電気磁気学の基本概念である電荷や電流までも疑い、棄却さえしなければならなくなってしまった。」と結論付けた。その当時は、事件ただ中で、議論を深める余裕などなかった。丁度28年程前の事である。こんな『電流は流れず』の一言を説明するにも長い期間が必要なのだと科学研究とは何かの示唆には成ろう。今の日本の科学研究体制は短期決戦の将来性の危ぶまれる状態にある。「電気物理」の一端としたい。

電流計は電圧計だ 電圧計が計るもの 電流と電圧の正体