コンデンサとエネルギーと電荷

特にこの1,2年コンデンサの電気現象を考えて来た。IT検索したら、高校生などの質問があって、それに教えられた。一応高校の物理の教科内容になっているようだが、考えると中々一筋縄では答えられない。疑問だけが残る。次の二つの記事が筆者に教えてくれた質問であり、それに答える解答者の解説でもある。さすがに解答者も考えたことであろう。筆者も解答するつもりで、別の視点から考えてみよう。ただその視点が社会的な合意を得るのに困難なものであろう。科学論は一般に過去の先人が築いて来た伝統ある共通認識の基礎認識の上に、新たな発見とか深みを付け加えるもので、そこに新たな共感や賛同を得て互いに達成感を広げるものであろう。社会的な安定した常識の意識が望まれる。それに対して、筆者が述べる科学論は、伝統的な科学常識の教育に携わっている方々に違和感と嫌悪感を抱かれるような内容が多いと自覚している。だから人と融和を重んじるなら殆ど書けない内容ばかりであることも知って居る。気に障る場合はご勘弁願います。『電荷』否定とその概念矛盾認識がその原点に在り、世界の根源要素は『エネルギー』であるとの解釈に基づいているので。余りにも科学常識論からかけ離れ過ぎているから、社会的混乱と言う点で迷惑な事でもあろう。
(1)コンデンサと静電エネルギーについて 高等学校の物理Ⅱの問題を学習して、疑問を提起したものだ。理科の指導内容にはその教科特有の専門用語が使われる。言葉の意味を的確に理解することは、はじめて学習する者には難しいこともあろう。質問者がどのように理解しているかが気になる用語がある。それは『静電エネルギー』である。その『エネルギー』とは何処に在るどんなものと理解しているのだろうか。それは『電荷』でもないし『電界』や『磁界』でもない。静電容量はコンデンサの空間構造の『エネルギー』を貯蔵する容積である。コンデンサ容積内に貯蔵する『エネルギー』を『静電エネルギー』と言っていると思うが、質問者はそうではなかろう。その『エネルギー』を『電荷』で結びつけて空間に実在するように理解するのは無理であろう。物理学での『エネルギー』は電界あるいは電圧に依り受ける『電荷』の移動に対する仕事量の合計値としてエネルギー量ジュールに換算した物として教育されているから。質量に働く力と移動距離で評価する基本的『エネルギー』概念だけで解釈しているから。電気エネルギーは全く質量には無関係の『エネルギー』なのである。光と同じ『エネルギー』なのである。『電荷』があると、どこに『静電エネルギー』が実在すると言うのだろうか。『電荷』の中に在るのだろうか、それともその周りの空間でしょうか。それは教育者側に問う『問答』でもある。結局『電荷』や『電子』の具体性が曖昧なまま、その存在が科学理論の複雑な絡み合いの中に常識化されている処に問題があるように思う。

電荷と静電エネルギー 『静電エネルギー』とはどんな意味で解釈しているかを、筆者の理解する内容で確認したい。物理の教科を教えた事もなく、間違っていると悪いので基本的認識を図に依って考えたい。先ず『静電エネルギー』とは『電荷』が持つエネルギー(?)と理解するのか?『電荷』でなくて空間が保有する『エネルギー』なら大いにその解釈で結構なのだが、どうも物理学理論から推論するとそうではないようだ。『電荷』と言うのも実際は『電子』等に付帯したものとしての、それが持つ『電荷』量という意味で解釈すれば良いのだろうと思う。教科書理論では『電荷』が単独に存在すると言う、質量の無い独立した概念とは捉えておらず、質量に付随した概念として解釈されているようだ。だから『電荷』と言う時は、それは『電子』か『イオン』かの意味で捉えて良かろう。図は中心に『電子』の抜けた原子の集まりで+Qクーロンの原子集団があるとした。現実にはプラス電荷同士が集まるのもクーロン力から考えればなかなか理解し難いのだが、大目に見ておこう。さてそのプラス電荷が空間に存在した時、周辺の全空間には電気力線と言う電界の歪み空間を作り出すと考えて良いのだろう。それが教科書の電界の意味であろうから。全空間の中心が張る立体角は4π[st.rad.(ステラヂアン)]である。半径r[m]の球表面は電界強度E[V/m]のベクトル空間と看做す。そこに何か『電荷』があれば、その電荷には中心の電荷+Q[C]に依る力が働く理論に成っている。それは遠隔力か近接力かも考える必要があるが、先ず空間の電場と言うものをどう解釈するかであろう。その空間は電界があるが、『エネルギー』は存在しないと解釈するのかどうか。空間に『エネルギー』があると解釈すれば近接作用力が有力になるが、教科書のようにただ電界を抽象的に捉えているなら遠隔作用力とする見方になろう。筆者は電界が在れば、それはそこに『エネルギー』が存在することと同等であると解釈するがそれはここでは伏せておく。元々電界なる概念の実在性も理解できない筆者であるから。前置きはそれくらいにして、『電子』に掛かる運動を考えてみよう。『電荷』だけでは運動に依る『エネルギー』の意味を捉えられないのが物理学理論(単位[eV]の概念問題もあるが)だと思う。必ず質量が無いとエネルギー論は成り立たないように思う。『電荷』には力が働いても運動方程式の加速度α[m/s^2]が生まれないから。どうしても質量にお出まし頂かなければならない宿命にある。『電荷』だけでは無理でも『電子』の質量に依りエネルギー論が可能になる。そうするとまた困ってしまう。よく無限遠から『電荷』をその位置まで持って来るにどのような仕事をするかとなる。その仕事がエネルギー論には欠かせない。仕事の解釈は力によって質量を動かした時、力ベクトル f [N]と移動距離ベクトル r [m]のスカラー積で仕事量のスカラーw= fr [J] で捉える。その仕事量は質量を動かすことに使われた消費エネルギーである。普通消費エネルギーと言う場合は、その『エネルギー』は熱として空間に放射される感覚で捉える。しかし、仕事量の幾分(1/2?)かを質量の『エネルギー』増加に変換する場合もある。そこに、電磁気学理論での『エネルギー』のもう一つの単位に[eV]がある。特に素粒子物理学理論等で『エネルギー』と言えばジュールでなく[eV]の単位で解釈するのが一般的である。それは一つの『電子』の電荷量が電界空間で移動した時に『電子』が得ると考える『エネルギー』の量を基準単位とした評価量であると解釈するが、間違いだろうか。その場合、『電子』には質量が在るから電界に因る力で、質量の加速度運動が起こるから『電子』の移動が可能であり、最終的にその質量の運動エネルギー分はどのように[eV]のエネルギー量の中に認識すれば良いのだろうか。[eV]の単位が表現する『エネルギー』の中味は『電荷e[C]』が電位差V[V]間を移動しただけで『エネルギー』を獲得する様な表現単位に思える。しかし、その[eV]単位がコンデンサの電極版間での『電子』などが保有する『エネルギー』に結びつくのか理解が難しい。『電荷』だけのそこには質量の運動力学の基本原理の加速度が見えない。実在物体を移動させる力とは質量の慣性に掛かる加速度を評価した物理学運動原理と思う。そのように質量を伴わない『電荷』のみを移動する運動エネルギー論は物理学理論には無いと思うのだが、その解釈は間違っているだろうか。このエネルギー単位[eV]で思考を整理するためエネルギー単位[eV]を尋ねてに別に取り上げた。さて、質量を伴う『電子』を対象に仕事を考えてみよう。図では、電界に因る力が『電子』に掛かれば、『電子』は加速運動をすることになろう。無限遠からrの位置まで力が掛けられれば、加速度によって相当の高速度運動に成っているだろう。それが力と運動の基本的解釈ではなかったか。そこで、その『電子』の持つ『エネルギー』は如何程と解釈すれば良いのだろうか。再び『静電エネルギー』とは何が持つエネルギーのことか?を考えてみよう。それはコンデンサと言う二枚の対向金属電極に因って構成された空間がその静電容量と言う単位ファラッド[F]の機能の基を成すものである。その空間が空気か誘電体材料かに因って機能の強さに差が生まれる。『静電エネルギー』はどこにどのようにして得られて、何が保持する『エネルギー』と解釈すれば良いのだろうか。『エネルギー』をコンデンサに蓄える仕組みは電気現象として如何なるものであるかと言うことである。このような設問形式で、問いながら考えることは高校生が初めて考える内容としてはそう難しい事ではないだろう。数式で解説している訳でないから、意味を汲んで貰えないかと思った方法だ。何が言いたいかと言うと『静電エネルギー』とは結局具体的にどんな『エネルギー』と理解しているかと言うことであり、曖昧であっては論理の物理には成らないと言う意味を理解して欲しい。誠に難しい教育の社会的問題を論じる様なことになって、読まれる方に申し訳ない思いもある。真理・真髄あるいは哲学とは社会的混乱でもあるのかと?生徒、学生にはこの問題に対処する方法は無い。教育する側、学力試験・入学試験を実施する側に考えて欲しい事だ。ようやく問題の核心に話題を絞ることが出来る。コンデンサの充電現象についての物理的(物理学教科書的ではない)解釈に入ろう。それは『電荷』概念に因るコンデンサ充電問題における矛盾についての考察である。その基本的観点は電気現象がすべて『光速度』の現象である点であろう。

コンデンサ充電現象の意味-『電荷』と光速度現象― 質問者のコンデンサ充電現象の話に入ろう。一定電圧の電源とコンデンサを繋いだら、どんな現象が起こるかが基本の話になる。先ず電気現象はすべて『光速度』の規範の基に在る。そこで、コンデンサ充電とはその電極板のプラス側とマイナス側に相反する『電荷』が集積された状態として理解しているだろう。物理学教科書の『電荷』の現象として考えてみよう。質問者は電源にコンデンサを繋いだ瞬間にコンデンサ電圧が電源電圧になると解釈しているのだろうが、それは止むを得ないことである。電源とコンデンサを並列に接続する図を想像すれば当然である。しかしその電気現象の本質を理解する事には初学者には無理があるのだ。元々教科書が光速度で電気現象を理解する教育内容になっていないのだから。その辺を捉えないとエネルギーが半分になると思うのも当然で、そこに誤解の意味の原因があろう。

図2.コンデンサ充電現象 どんな電気現象も過渡状態では、単純な回路要素で表現できるほど簡単ではない。ただ直流電源にコンデンサをスイッチで接続しても、コンデンサの電圧が瞬時に電源電圧になる訳は無い。それは現象が光速度の遅れを伴うことと、回路周辺の空間がその現象の伝達に影響を及ぼすからである。それは漏れインダクタンスとか抵抗などで表現する事も出来るが、決まった値ではない要素値であろう。厳密な方程式では表現できない。電流と言う技術概念量(is,ir)を考えれば、現象の光速度伝播から、それも電源側と負荷側では厳密には同じ量ではない。ここでコンデンサに充電される『電荷』と言う概念量に基づいて、その充電機構やコンデンサ電圧と『電荷』との間の物理的意味を考えてみよう。コンデンサのプラス電極とマイナス電極の『電荷』の分布を決める原理とその充電機構をどう解釈するか?プラス側のプラスの『電荷』は原子イオンが集まる訳ではないから、電極板から『電子』を引き抜き、電極板金属原子のイオンが残ると考えるのだろうか。その現象も電源側のスイッチSから始まって、コンデンサ端子に現象が伝わることになる。その時導線内にどのような電界(電荷分布に因る)が生じ、『電子』を引き抜く現象が起きるのだろうか。その引き抜き現象が終端のコンデンサまで伝播する様子をどのように解釈できるだろうか。次に、マイナス電極のマイナス『電荷』は電源の負側導線を通して『電子』が流れ込むと考えるのだろうか。そのマイナス側でも同じ意味での光速度伝播現象の解釈が要求される。単純に『電荷』が充電されると言う現象でも、その論理的解釈法を理解するにはとても難しい。『電荷』に因るコンデンサ充電現象はどんな原理で可能か?蛇足であるがもう少し述べたい。『電荷』移動は図1で考えたように電界E[V/m]が無ければならない筈だ。『電荷』は電線導体内を流れると教科書では説明されているから、電線内に電界が無ければ『電荷』は動かない。電源端子の電線内とコンデンサ端子の電線内とでは、同時に光速度を超えて同じ現象には成らない。導線内の単位長さにどんな電界が発生すると考えれば良いか。その電界の発生原理が明確に示されなければ、コンデンサを充電する『電荷』の移動を説明できない筈だ。図1でも述べたように、『電荷』では質量が無いから運動論には適さない。だから『電子』の質量をお借りして、『電荷』だけで良いのに質量まで組み入れた論理となる。コンデンサ電極には『電子』の『電荷』と『質量』を共に充電しなければならない論理になる筈だ。そこで考える、電線内の電界の発生が論理的に解説できるか。どのように電界が発生するのだろうか。抵抗降下電圧とは意味がまったく違うのである。電界と抵抗降下が同じでは、結局『電子』を動かす電界が無いと同じ事である。『電子』『電荷』を動かす電界は『電荷分布』に因ってしか図1の電気力線は説明できない筈だ。導線内に電荷分布に因る電界発生原理を示せなければ、『電子』移動の説明にならない。その『電荷』分布による導線内の電界発生の説明が出来ないなら、図1で論じた電界と『電荷』移動の意味は無用な事になる(本当は『電荷』など存在しないから意味は無いのだが)。『電荷(電子)』は加速度運動方程式に因って力を受けて初めて移動すると言うのが物理学の電気現象の原理の筈であろう。ローレンツ力の磁界加速は円運動で加速すれば中心に螺旋運動してしまう。磁界加速は今回の問題には無関係だ。電荷分布に因る電界しか『電子』は移動できない教科書理論の筈ではないでしょうか。

『電荷』とクーロンの法則 電極板に『電荷』が溜まるとは、どのような電界強度分布から可能なのだろうか。クーロンの法則は同じ極性の『電荷』同士にはその距離の2乗に反比例した排斥力が働く筈だ。どのようにクーロン力を打ち消す力が働くのか、その原理を示すことが理論の物理学としては欠かせない筈と思う。それは摩擦に因る『電荷』発生の解説が古くから受け入れられた解釈手法になっている処に原因があるようにも思う。クーロン力の強さを決める変数が距離と言う科学論の意味を是認するなら、『電荷』集合に対する力の論理的解釈法が示されて初めて電極板の『電荷』分布が論じられると思う。クーロンの法則を超える『電荷』集合の原理が。

静電エネルギー さていよいよ『静電エネルギー』とはどのような電気量で、どこに存在すると解釈すべきかを考えよう。電極板の『電荷(電子あるいは原子イオン)』を素に解釈するとすれば、その『電子あるいは原子イオン』が保持する『エネルギー』と言う意味で捉えるのか。極板に在るそれらの電荷対象は何処で『エネルギー』を保有して、どのような違いを前後で得たのか。『電荷』が『エネルギー』を保有するとはどのような『電荷』の様態の変化を生じると言うのか。『電子』が『エネルギー』を保持したり、失ったりする場合の『電子』内に起こる変化はどのような事で理解するのか。そのように考えた時、『電子』そのものに『静電エネルギー』の保持や消失の責務を負わせるのに矛盾を感じないだろうか。理論的とは、理屈の筋が通っていなければならないのである。矛盾が少しでもあれば、それをそのまま有耶無耶にしてはいけない。しかし、すぐに解決できる場合は余りなかろう。その時こそ、その矛盾を忘れずに何時か解決する時を待つ心掛けが欲しい。『電荷』が『静電エネルギー』を持つと解釈できるだろうか。式での W=CV^2^/2 [J] のV^2^[J/F]([V]=[(J/F)^(1/2)^]であるから) にその責務を持たせる以外ないように思う。『電荷』の次元[C]を『エネルギー』に関係付けて表現すれば、それは[(JF)^(1/2)^] となる。この『電荷』の意味と電圧の意味とをどのように『エネルギー』に関係づけられるかと言う問答になろう。コンデンサの静電容量C[F]は『エネルギー』を貯蔵する機能強度を表現しているが、『エネルギー』を貯蔵する空間的容積ではない。もし『電荷』が『エネルギー』を保有すると言うならば、プラスとマイナスが電極板に向き合う事の貯蔵効果は何なんだろうか。
(2)静電エネルギーの半分はどうなる? 上の(1)に続いて同じ問題であるが、この問題には『電荷保存則』と言う面の意味が強いと思う。質問者の解釈と疑問は至極当たり前の内容であろう。その質問に答えることはまた難しい。『エネルギー』が半分になるが『電荷』は保存されるという前提に在る。電圧が最終的にVになると言う事を実験的に検証できるだろうか。即ち『電荷保存則』が成り立つか?『電荷』の存在を否定する筆者が考える方向は決まってしまう。しかし、最終電圧がどうなるかに残念ながら答える能力もない。その辺の事情を電気現象としてどのように考えるかを述べたい。

電荷保存則と電圧 『電荷』と電圧は電気理論の根幹を成す密接な関係に在る。電圧は電圧計で計測できる。『電荷』は決して測定できない。コンデンサの静電容量は空間的構造体として定義されている。だから電圧が測定できれば、『電荷』は判定できるとなる。しかし、『電荷』が何ものかを確認はできない。『電荷』と考えている物が『熱』と同じ『エネルギー』だなどと言えば科学常識に反する。質問者の求めに答えようとすれば、図3のようにまとめるしかない。科学は実験的に検証しなければならないと言われるが、最終電圧がどのようになるかを計測する方法が筆者には思い付かない。『エネルギー』は電線路空間内で過渡現象の複雑な経過を経て落ち着くであろう。方程式を解く能力が筆者には無い。計測は必ず『エネルギー』を消費しなければできない。『エネルギー』だけが消失して、『電荷』が保存される理由が分からない。

まとめ 電気回路としては極めて単純なものでありながら、その現象を理解しようとするととても難しい事を改めて教えられた。『静電エネルギー』一つの技術用語さえ、長く伝統的に使われているのに、確信を持ってその実像を質問者に示せない。数式で表現される内容の奥に隠された真理はなかなか見え難い。今でも理解できないコンデンサ静電容量の物理学的・電気磁気学的解釈がある。電極版間のギャップが小さくなれば成る程静電容量が大きくなるとはいかなく意味か?ギャップの限界と『エネルギー』の流動模様に関係するか?

電荷概念とクーロン力 電気物理の最初の概念が『電荷』であろう。電気を論じるすべての基礎が『電荷』である。その基礎が理解できない、納得できないと疑問の中を彷徨って来た。高校生の質問がもう一度『電荷』の意味を問う機会となった。まとめとして、『電荷』とクーロンの法則そして電荷の『エネルギー』の関係を図にまとめて見た。コンデンサの電気現象の図は電極にプラスとマイナスの『電荷』が向き合って集まる解説から始まる。――今(2017/09/01/am:9.30)ヘリコプターが酷い騒音を撒き散らしている。誰の仕業か?――筆者は先ずその基から理解できない事に気付いたのが今から30年程前の事であった。クーロンの法則を斬る  に述べたが、コンデンサの電極に同じ極性の『電荷』が集電荷するには相当のクーロン力に因る排力が働く。その排力に逆らって同一『電荷』が集荷する理論的根拠が欲しい。そのクーロン力に逆らう力が示されなければ、コンデンサの『電荷』模様の解釈は理解できないのではないか。もう一点気付いた。『電荷』の『エネルギー』の意味である。(1)プラスの素電荷2個とマイナスの素電荷1個が電気力線の電場内で、一点に集荷した。図1の解釈から、その場合の集合電荷の『エネルギー』は如何程と解釈すれば良いのだろうか。同じく(2)のマイナス素電荷が3個集合した場合は、その総合『エネルギー』は如何程と解釈すれば良いのだろうか。(3)はとても不思議な未解決の『電荷』概念の問題である。プラスの電荷とマイナスの電荷が合体したら、『電荷』はどのような結果になるのか。プラスとマイナスの二極『電荷』概念の根本的問題に思えるのだが、高校生も不思議に思わないのだろうか。『電荷』は消えるのかどうか?

現時点の纏めとしては、『エネルギー』でなく『電荷』を電気現象の基礎概念にしている限り、残念ながら質問には答えられなくて御免なさい。

コメントを残す

以下に詳細を記入するか、アイコンをクリックしてログインしてください。

WordPress.com ロゴ

WordPress.com アカウントを使ってコメントしています。 ログアウト /  変更 )

Google フォト

Google アカウントを使ってコメントしています。 ログアウト /  変更 )

Twitter 画像

Twitter アカウントを使ってコメントしています。 ログアウト /  変更 )

Facebook の写真

Facebook アカウントを使ってコメントしています。 ログアウト /  変更 )

%s と連携中

このサイトはスパムを低減するために Akismet を使っています。コメントデータの処理方法の詳細はこちらをご覧ください