電気抵抗のエネルギー論

「電気抵抗のエネルギー論」などと言うと大げさな事と顰蹙(ヒンシュク)を買いそうだ。しかし、電気物理は『電荷』がその論理全体の根本を支えている訳だから、その『電荷』概念を否定する意味を解説するには、単純な電気抵抗の意味とそのエネルギーに関する現象をひも解くのが分かり易かろうと考えての標題である。電気抵抗と言っても、その回路要素としての機能は深い意味を兼ね備えている事を理解する必要があると思う。一般に抵抗が示すエネルギーに関する現象を理解しようとすれば、抵抗以外の電気導体から成るコイルや電気絶縁体から成るコンデンサ等のエネルギーに関わる現象を合わせて考えることで、より深く抵抗の機能が理解できるだろうと考える。

単純な電気回路の例

電圧と電気要素①コイルと抵抗 ②コンデンサと抵抗 ③導体と絶縁体と抵抗体の混成回路 の三つの回路でエネルギーと電圧の関係を考えてみよう。

①コイルと抵抗回路 コイルが示す電気現象はそのエネルギーと電圧の関係で不思議だ。導線は電気導体である。その導体をコイル状に巻くとそのコイルの内側の空間にエネルギーが貯蔵される。導体の中にエネルギーが蓄えられる訳ではない。あくまでも導線のコイル状に巻いた巻線で囲まれた空間にエネルギーが蓄えられるのである。その電気回路でエネルギーが変動しない、定常状態ではコイルにはエネルギーが蓄えられているにも拘らず、全く回路的には電圧には無関係の独立したエネルギー貯蔵器になっている。

②コンデンサと抵抗回路 この場合は、抵抗には全く電圧が掛らない。すべて絶縁体のコンデンサに電源電圧が印加される。丁度回路を開くスイッチと同じ意味をコンデンサが担っているのだ。

③立体模型での導体、抵抗体と絶縁体回路 ②と同じくコンデンサで電源電圧が保持される。抵抗体はエネルギー、電圧には何の機能も持たない。導線全体には定常状態に達するまでの過渡現象でのエネルギー(電圧時間積分)の導線周辺周りのエネルギー貯蔵が微かになされていよう。しかしそれは電圧には無関係であるのは、①の場合に同じである。

①コイルと抵抗回路のエネルギーと電圧

抵抗体(エネルギーと電圧)

抵抗体周りのエネルギーと電圧の関係を示す。『電流』が流れる訳ではない。電源が供給する『エネルギー』が電気回路全体の空間を通して、その電線路電圧の保持に対応するために光速度で充填される。そのエネルギー密度δ[J/m^3^]で光速度に近い速度のエネルギー流が抵抗体表面から侵入する。エネルギーの流れが光速度に近いということが重要な意味を持っている。如何にエネルギー密度が小さくても僅かな時間でさえ、その間に流れるエネルギー量は途轍もなく大きな量になり得る訳だ。そのエネルギー流がポインティングベクトルSi[J/m^2^s]である。抵抗体はエネルギーをその内部空間に取り込み、定常状態では、入射エネルギーと平衡してその同じエネルギーを熱・光エネルギーとして放射している。抵抗体は内部空間構造がエネルギー貯蔵、変換そして放射するエネルギー変換器の機能要素と考えるのが分かり易かろう。さらに電源電圧を抵抗体が担う訳であるが、それは抵抗体の表面の空間エネルギー密度δの電気技術評価概念の『電界』√(δ/ε)[(J/F)^1/2^]=[V/m]に基づいた意味だと解釈すれば良い。エネルギーで観る線路電圧 にその意味を記した。電気抵抗Rの意味は『オームの法則』で電流との関係で理解することで十分であり、便利である。しかし、例えば大学で電気物理として抵抗を意識する場合には、それだけでは電気現象を理解したことには成らないと思う。エネルギーを運動エネルギーと位置エネルギーで解釈しようとする物理学的論理には、そこに潜む矛盾を取り除けないだろうと思うからである。自然は如何に基本が単純であり、それ故に現象の複雑な姿に戸惑うかを考えるのにこの抵抗体のエネルギーの意味は示唆を与えるだろうと考える。ただその空間のエネルギー分布を数式で表現しようとしてもなかなか困難である。数学が自然を完全に表現することには成らないから。数学や式は一つの理解の方便と心得るべきであろう。さて、この抵抗体のエネルギー機能を考えるに、コイルの貯蔵エネルギーについてもその意味を考え併せることで役立つだろう。コイルの巻線内部空間に貯蔵されるエネルギーはどのようなものと考えるか。決して空間のエネルギーは静止した状態ではないだろう。コイルの磁気はそのコイルの軸方向には磁界が生じている。図の方向に磁極のNが現れる。磁極、磁気とは何かを磁界・磁気概念の本質 に述べた。磁極N極の方向に対して、その軸性ベクトルに左ねじの向きにエネルギーが回転する方向性で解釈すると考えた。その方向性が電磁気現象の全体像を捉えるに極めて重要である。その方向への確信を得るに長い年月を要した。コイルのエネルギー貯蔵の形態と次に考えるコンデンサのエネルギー貯蔵の形態は、同じエネルギーを貯蔵する意味でありながら、状況が異なる訳も考える必要があろう。回路からの切り離しによるエネルギー貯蔵の可能性で異なる意味を持つ。

②コンデンサと抵抗回路 コンデンサもコイルと同じくエネルギーを貯蔵する。しかしこの場合は抵抗は電圧を担わず、すべてコンデンサが受け持つ。コンデンサのエネルギー保存機能は電極版間の誘電体・絶縁物によってその特性が決まる。絶縁物が空気では殆どエネルギー貯蔵の意味で、その機能を考える程の特性を意識できない。直流の電気回路としては電源電圧を負荷から遮断するスイッチの機能素子に見える。

エネルギー貯蔵と等価回路エネルギー貯蔵と等価回路 コンデンサは絶縁体内にエネルギーを貯蔵し、回路から負荷抵抗を切り離す役割に見える。①のコイルの場合も併せて考えれば、コイルにエネルギーを貯蔵し、そのコイルを回路から切り離すように、コイル端子をスイッチオンした回路に等価と見える。コイル内で損失が無ければ、空間にエネルギーを放射しなければ、図のような等価回路と看做せる。この回路ではコイル電流を仮定したとしても、電源とは無関係のものとなる。

電源からの切り離し エネルギー貯蔵器にエネルギーを貯蔵したまま、回路から切り離すことを考えてみよう。②のコンデンサの場合は既に回路が遮断された状態だからコンデンサを回路から切り離すことは問題なく可能だ。切り離したコンデンサには、エネルギーが貯蔵されたままであると考えて良かろう。特に電解コンデンサではその意味が顕著である。①のコイルの場合はどうだろうか。この場合もコイル端子をスイッチで短絡しても電圧が掛って居ないのだから基本的には問題ない。その状態であれば、既にコイル端子はスイッチで閉じられているから、電源回路からは切り離された独立の状態にある。従って、もう一つのスイッチで、抵抗を電源に直接つないでも回路としては変化が無いから、ネルギー貯蔵したコイルを切り離せる筈である。しかし、②のコンデンサと異なり、実際にコイルのエネルギーを長く貯蔵したままに置くことは難しかろう。エネルギーが空間を通して放射され易いからと考える。それをコイル内の抵抗損失がある故と看做すのが普通である。磁気材料の鉄心を利用すれば、鉄心の永久磁石としてエネルギー貯蔵が保持される事もまた事実である。様々な電磁気現象は、その基本に『エネルギー』と言う空間に実在する物理量が関わっていることを理解すべきである。

周期律表と抵抗率で、上の抵抗体でのエネルギー変換現象を考える上での根拠に元素構造と抵抗率の関係を取上げた。外殻電子の周回運動としての元素構造論ではなかなかエネルギーの変換現象を理解し難いとの思いから、抵抗体の内部空間構造を考えてみたい。抵抗の次元が[Ω]=[(H/F)^1/2^]である認識からの空間構造が大切であろう。それは光の色調を決める color cell の構造にも通じるものである。

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