電気エネルギーの測定法(電圧)

はじめに(2020/4/19) 電気回路技術は驚くべき文化に完成された。その基本には「オームの法則」がある。『電圧』と『電流』という二つの技術概念に依って誰もが理解し易い回路技術として、現代社会の基盤技術となった。しかし、その『電圧』や『電流』と言う計測量の意味を考えれば、そこにはとても深い哲学的問題が隠されているのだ。その意味を知ることは深く電気回路技術の中にある自然現象の活用の科学技術力とそこへの叡智の結晶が結実している意味を知ることにつながる筈だ。電気回路には、基本的に自然の本源である『エネルギー』を如何に活用するかの手法を獲得した技術の結晶が隠されているのだ。その測定法を通して電気技術が如何に自然との関係を活用しているかを深く理解できる筈だ。その事は『電流』とは、『電子』とは何かが理解できることにつながるだろう。科学技術が飛躍的に発展し、日常生活に深くその影響が及び、人がその恩恵に浸りながらも、誤った物理学理論によって曖昧な科学理論常識に染まる傾向が強まってしまった。地に足を付けた地道な自然観であるべきところ、誤った理論によって人の意識を曖昧な思考の方向に導いてきた。その代表が『電子』の概念である。『電子』の空間像が示されずに、その『負』の実在性が論じられずにここまで来てしまった。その意味を解きほぐす道はあくまでも具体的な技術の意味を通して理解するより道はない。『電子』が如何に曖昧な概念であるかを電気回路の測定の意味を通して考えてみたい。半導体で論じられる量子力学について論じるほどの力を筆者は持たないが、少なくとも電気回路における電線内を流れると解説される『電子』は全く役に立たない仮想概念である事だけは強調しておきたい。

『電圧』は『エネルギー』の計測、技術評価量。

電圧とは、その回路の電線で囲まれた空間に『エネルギー』をどの程度貯蔵した状態かを知る、あるいは評価する技術的基準量である。電圧計は何を計っているかを知らなければ、『電圧』の物理的意味を知ることはできない。水を高い所から流す力の仕組みと同じ意味が『電圧』であるというような、怪しい論説が多くある。その解説ではやはり水のような何か流すものが必要になり、結局『電流』とか逆向きに流れる『電子』が必要になって来る。電線の中には何も流れていないことを理解しなければならなし、電線路空間が有ればその空間を通して幾らでも自由に電気の『エネルギー』は伝送できる。しかもその即応性は光速度で対応できるのだ。電気(と言う『エネルギー』)は光と同じように真空や空気の空間がその最も特性を発揮できる場である。ここで言う『空間』とは、電気については真空以外にも、コンデンサの金属板に挟まれた空間あるいはその誘電体空間、コイルの巻き線で囲まれた空間や鉄心あるいは抵抗体内の結晶構造体内の空間、更に電線路の電線間の空間あるいは絶縁電線の絶縁体などの空間などを指す。例えば、ガラス戸やレンズは光も電波もその『エネルギー』が伝播する空間と見做せよう。しかし、電線の金属体は基本的に『エネルギー』の反射体と見做すべきだ。だから金属の電線内には電気の担い手と科学常識になっている概念の物理量(『電流』や『電子』)は流れない事を理解しなければならない。

コンデンサとコイルの貯蔵エネルギー。

VOLT and ENERGY 直流電圧 V の回路にスイッチ S を通してコンデンサC[F] とコイル L[H] の回路を繋ぐ。

図のスイッチSを投入してからどのように『エネルギー』が貯蔵されるかを、少し数式で考えてみよう。その電気現象は所謂過渡現象を経て、『エネルギー』が貯蔵されることになる。過渡現象は数式では一般に指数関数(*)で表現される。ー(*)指数関数での数学的問題は幾ら時間がたっても定常状態にならないという論理性の現実的矛盾を抱えているー。

(1) 貯蔵エネルギーと電圧の関係。係数の2分の1は省く。

最終的に、貯蔵エネルギーは(1)式のようになる。その貯蔵エネルギーは結局電圧によって決まる値である。だからその電線間の電圧Vは貯蔵エネルギーの量から(2)式の意味であると解ろう。『エネルギー』の単位、次元はジュール [J] であるから、電圧の単位、次元は(2)式から [(J/F)^1/2^] であると解ろう。電圧の単位はコイルもコンデンサも同じ静電容量の単位ファラッド [F] に関係した物理的意味を持っているものと理解できよう。それは当然のことで、電線路は最低二本の電線で組み立てられる。その電線の間には静電容量がある。その静電容量の空間に貯蔵された状態で電気の『エネルギー』が分布して電気の送配電系統が成り立っているのだ。この電圧の次元あるいは単位の意味を理解することが電線路の物理的意味の理解に欠かせない事なんだ。(2)式のコイルの場合について、その次元について付記しておく。(r/√L)はr[(H/F)^1/2]により、[(1/F)^1/2] となるから。

(2) 要素の端子電圧と回路時定数。

コンデンサの端子電圧vcとコイルの端子電圧vlは(3)式のように評価される。コンデンサの電圧は最終的には電線路電圧値 V に等しくなるが、それまでは指数関数の変化になる。コイルの電圧vlは最終的に零となる。コイルに『エネルギー』が貯蔵されるとコイルの端子電圧は恰も回路から切り離されて、線路側には接続されていないと同じ状態になる。コイルには内部空間に『エネルギー』だけが貯蔵されたことになる。厳密にはコイルの抵抗分があるからその分の電圧は残る筈ではあるが。

指数関数の累乗の次元は『無次元』でなければならない。時間 t[s] に対して時定数が rC[(HF)^1/2^]  =L/r[(HF)^1/2^] =[s] となっているから理に適っていることになる。

(*)この指数関数式は無限の時間でも論理的に零には成らない矛盾を抱えているが、その辺は数学的に曖昧でも良いとなるのだろうか。文末に指数関数の図を示す。

(3)貯蔵エネルギー計測法。

コンデンサとコイルの貯蔵エネルギーの時間変化は(4)、(5)式となる。両方とも同じ式で表される。ここでさて、線路の電圧をどのように計測するかとなる。コンデンサ内の様子を外部から伺い知ることはなかなか出来ない。コンデンサの電界と言う状態を知る方法が無いから。それに対して、コイルの中の状態は運良く、磁気と言う誠に都合の良い自然界の贈り物がある。それはコンパスや磁石と言う身近な電磁気現象の具現像として自然世界の顔を示してくれている。アンペアの法則やファラディーの法則あるいはレンツの法則等あらゆる電気現象を外部から観測する手段として活用されているのが「磁気現象」である。何か空間の秘めた「力」を磁気が持っている。当然のこととしてコイルの秘めた空間の力を『測定法』に活用することになる。自然世界の現象を探る科学技術の始まりである。19世紀に『電圧計』「電流計」が開発された。もちろん『電圧』はボルタの電池や熱現象を利用した電池などからその安定した『電圧』を開発利用してきた訳であろう。まだ当初は『電荷』概念は明確ではなかっただろうと考えたい。

(4)『電荷』と『電子』と『電圧』の間に横たわる現代物理学理論に基づく論理性の不可解。

電気回路論で、電線路の『電圧』をどのように解釈するだろうか。プラス端子とマイナス端子の間の空間に生じる『電圧』の原因を何に求めるか?プラス側には『正の電荷』、マイナス側には『負の電荷』が分布してと解説が始まるだろう。そこに思考停止の現代物理学理論が在るのではないか?『正の電荷』と言うその正体をどのように認識するのだろうか。簡単に『正の電荷』がプラス側の電線に雀が止まるように集まるのだろうか。どんな理論によって『正の電荷』だけが一方の電線に集まるのか。みんなが電気現象の基本法則と崇める「クーロンの法則」では、同じ『電荷』は反発し合うと大原則を学習して居るにも拘らず、無意識に所が変れば同一電荷同士が集合体となって結び付く。金属電線の中に『プラスの電荷』とはその正体はまさか『陽子』とならないだろうから『電子』の抜け殻の『+金属イオン』だろうか。図に示したように『+金属イオン』は銅線なら銅イオンしかない。『+金属イオン』を置き去りにして、その『電子』はいつの間に隠れて逃げ去ったことになるのだろうか不思議だ。科学理論は論理性がその身上の筈だ。一方反対のマイナス側の電線にはマイナス電荷の象徴の『電子』が集合すると解説されるだろう?図のように『電子』の密集状態が出来るとなろう。それでプラスとマイナスの電線路空間図が完成して、『電圧』の科学的理解ができるとなり、万々歳となって終わるのか?そこへ『電圧計』を繋ぐとどうなるかを考えれば、思考停止で終われないだろう。そこに不可解と言う意味が追加される。まず、乾電池に電線を繋いで配線すれば、それだけで電線間に電圧が掛かる。プラスの電線の銅金属からどのようにして『電子』を引き剥がすのだろうか?プラス側の銅線には電線内に電界などできない筈だ。電界もないのに銅金属から『電子』を引き剥がす論理的根拠が欲しい。その辺の高度な専門性は大学院などの物理学科の博士課程などで高等教育を受けた専門家やその指導者が答えるべき内容であろう。余りにも専門性のない素人の疑問では答えるに沽券(コケン)に関わる話となろうか。乾電池から『エネルギー』をランプに送る。その時『電子』が電池のマイナス側から流れ出し、ランプを通って電池のプラス側に戻る。どれ程の『電子』が集団高密度で『電子』の密集分布電線の中へと流れて行くのだろうか。流れ出す時点で、『負電荷』量が増加しても、線路『電圧』に影響を及ぼさないで済むのだろうか。さらに、ランプで『電子』はどのようにフィラメントの抵抗体で光を放射する物理学理論を展開して、電池のプラス側に戻り、『電子』の面目即ち電池から『エネルギー』を伝送する役割を果たすのだろうか。『電子』がただ電池の負極から流れ出て、電池のプラス側に流れ込むだけの『電子』の役目で、電磁気学という学問の科学理論の論理性が唱えられるというのだろうか。とてもその論理性が見えない科学理論に思えるのだが、皆さんはそれで安心できるのか?

(5)コイルの貯蔵エネルギーの磁気特性の活用法と『電圧』計測。(2)式によってコイルのエネルギーW[J]とすれば、図のように線路電圧によってコイルのエネルギーから電圧を測定できよう。そのコイルのエネルギーをどのように計測に活用するかとなる。

簡略計測法。最も単純にエネルギー量W[J] が有るか無いかは図のようにコンパスの振れで分かる。しかし、これでは計測には成らない。

可動コイル型計器が直流回路には使われる。貯蔵エネルギー保有のコイルを磁石の間に配置すると、コイルはW[J]の平方に依った回転角度を示す。測定器の概要は図のようになる。

むすび

電線路の直流電圧を計る『電圧計』がどのように、何を計っているかを示した。この測定法で、直流電圧を電線路の『電荷』分布で解釈する論法の矛盾を論じた心算だ。このコイル内に『空間エネルギー』がコイルの巻き線に沿って軸性の回転流として貯蔵されている。その回転方向は丁度『電子』が流れるという電子論のその向きであり、『電流』の逆向きである。この電圧計の測定量の意味を知った上でも、もし『電荷』分布が電線路電圧を決めると解釈するなら、それが現代物理学理論の『パラダイム』という事であろう。更に一言付け加えておく。コイルの貯蔵エネルギー W を抵抗r による『電流』で計算して式を導出した。しかし実際の物理現象は電線の負側を『エネルギー』がコイルの端子電圧の時間積分に関係した過程を経て、コイルに入射するのである。しかし、その状況を『エネルギー』の様態として観測することはできない。『エネルギー』が実在するにも拘らず、その『エネルギー』の姿を眼前の空間に見る事が出来ないという、自然世界の掟によって支配されているとしか考えようがない。科学理論は実験的にその値を検証可能でなければならない人の決めた矢張り掟と言うべきものに縛られている。そこに現代物理学理論が認識不可能な空間の『エネルギー』である物の意味に在るのだろう。どんな方法でも電線路の空間に在る『エネルギー』の分布を観測することは残念ながら出来ない。それほど空間に在る『エネルギー』は神秘的な物理量である。

指数関数

電圧と電流の正体 (2013/5/16)

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