月別アーカイブ: 2020年10月

電気回路と妙珍ベクトル

(2020/11/01)追記。昨夜も眠りの中に目覚める思いあり。α=0の場合は負荷短絡である。極めて重要な意味に気付いた。線路長と波長の関係が大きく回路の現象に影響する。λ/4 の奇数倍の線路長であれば、終端短絡でも電源には安全である。偶数倍では完全に短絡事故となる。負荷短絡は反射エネルギーがエネルギー伝送側の反対側線路を戻る。負荷端のエネルギーギャップを零にしなければならないために、正側と負側のエネルギー分布量が常に等しくなる必要が有る。皆さんもご検討ください。また別に細かいことは考えましょう。

妙珍ベクトル(2020/10/30)。昔関西への修学旅行引率で、「明珍火箸」を手に入れた。その澄んだ音色が響く火箸。因んで不思議なベクトル図に妙ちきりんなという意味で音韻を踏んで「妙珍ベクトル」と名付けた。我乍らお恥かしい名付けベクトル図だ。
妙珍ベクトル。
このベクトル図はどう見ても、電気現象を表現したと捉えることができない妙ちきりんなベクトル図だ。しかしそれにも拘らず実によく量的算定に役立つようだ。大事な『次元』の意味で、全く論理的な繋がりが無いのだ。電線路の回路定数の容量C[F/m] とインダクタンスL[H/m]の平方根√()を直角三角形とする。その交点に垂直に線路伝送エネルギーδ[J/m]の平方根(√)をベクトルとして設定する。伝送エネルギーδp[J/m] と負荷反射エネルギーδr[J/m]の和が線路電圧規定エネルギーδ[J/m]を決める。直交ベクトルの各角度の正接tanθがそれぞれ回路特性インピーダンスZoおよび電圧、電流の瞬時値になる。
記号と電気回路。
妙珍ベクトルの記号の意味を電気回路に示す。実に面白い電気回路解析論となる。要は電気回路解析の『オームの法則』の科学技術理論を自然現象としての根底の真相を表現したものと言えよう。物理学理論では『エネルギー』の空間の実在性を認識していないようだから、その『エネルギー』一つによって電気現象を評価し直しただけかも知れない。この解釈法では、量的評価が出来ない。電流や電圧値を計算する手法には成っていない。ただ、電気現象に『電子』などの自然界に無い概念を仮想して、理論を構築して科学技術社会を成功してきた経済性はこの解釈論には無い。ITの情報網には電気回路の原理解説で、『電子』が基本概念として電流の逆向きに電線内を流れているような論が多くある。しかしそれらは、あくまでも仮に仮想した科学技術用概念でしかないことを、良く知ってほしいのだ。教科書も何時かはその誤った解説から脱皮しなければならない筈だ。自然は単純、純粋であるからこそ、その現れる姿は捉えきれない複雑性を秘めたものになる。この回路の表現法をよく見ると、電圧や電流の実効値の二乗平均平方根の意味が「成程」なと読み取れるような気がする。負荷が線路の特性値Zo[Ω]との関係で、α≦1とα>1によって反射エネルギーの伝送線路が逆になる。それは高周波伝送路の定在波に現れる。

科学技術概念の世界

(2020/10/20)電気概念図表。不可解な編集機能?ブロックで編集すると編集記事が勝手に消去されてしまう。旧エディターでないと正常に投稿できない。何故か?電界、磁界の距離微分の解説の内容が消去される。

科学理論は基礎概念から、多くの特殊用語の概念迄幅広く構築されたもので論じられる。中でも電気技術用語はその根幹をなしてもいよう。自然世界を科学論の世界に映せば、電気磁気学論の『電荷』と『磁気』がその基礎概念となっているようだ。

自然世界に『電荷』や『磁荷』がある訳ではない。しかし科学論では、それが理論の根幹を成すことになる。それらの科学技術概念の世界を図表に表現した。電気回路を論じるには電圧 V[V] と電流 I[A]が基本概念となる。その関連概念を『電荷』と『磁束』で纏めた。ここでは、『エネルギー』を基本に捉えた[JHFM]の単位系での解釈も含めた。図表の中心部に、L[H] C[F] の空間評価概念とt[s] x[m]に展開する『エネルギー』の自然世界像を表現した。

図表上の電荷Q[C] と磁束φ[Wb] の間の対称性。ここで論じようとすることは、『電荷』概念の論理的存在の矛盾についてである。

図表での関係を眺めると、 どちらも線束で捉えて良いように思える。しかし実際は磁束だけが線束で、電荷には点電荷と言うように、線束と言う捉え方はない。図表上からその対称性でありながら、異なる空間像になる訳の妥当性が有るか無いかを考えてみよう。先ず磁界である。その次元からも電流の距離微分[A/m]である。電流も流れる空間的方向性で捉えている。それはベクトルの筈だ。その電流のベクトルに対して、微分する空間距離x[m]も空間的方向性で認識するから、当然ベクトルである。磁界のその距離ベクトルは電流ベクトルに対してどの方向性かがはっきりしている。電流に対して直交ベクトルである。磁界と電界の空間ベクトル像から磁束、電束を求める。

磁界と磁束。

磁界は電流によって発生するとなっている。電線導体内を流れる電流など無いのだが、そのような電流を電気理論の基礎概念として決めた。その電流はベクトルとして、方向が決まる。単位ベクトルを ni とする。磁界H(x) は電流ベクトルの距離ベクトル微分で、アンペア―の法則の係数を採れば、次式となる。

   H(x)= (1/2π)d Ini/d =(I/2πx)[ni×(r/r)]        (1)

ただし単位ベクトル(r/r) とのベクトル積で磁界ベクトルが決まる。ベクトルのベクトルでの除算規則に因る(*1)。ベクトル x 近傍の磁束φは透磁率μoと面積Sから決まる。磁界により空間には磁束と言う線束が生じると解釈される。

磁束と電界および電束。

磁束は電磁誘導の変圧器の原理につながる。厳密には磁束も自然界にある訳ではないが、電気技術概念として一つの解釈概念として重宝である。それがファラディーの法則である。コイルnターンの巻き線に磁束が鎖交すると、右図の様に電圧V=n(dφ/dt)が端子に発生する。あくまでも技術概念の意味である。自然現象としてこの電磁誘導を解釈しようとすれば、『何故磁束がコイルの中で変化すれば、電圧が発生するのか?』と疑問に思わないか。その答えは、電気理論の範疇では得られない。空間の磁束の像を捉え切れているだろうか。その問答は別にしよう。ここでの主題は電界 E[V/m]の意味である。電圧が在れば、そこには電界が定義できよう。電界の発生原因は何か?という事である。静電界なら『電荷』によって解釈できる。変圧器の巻き線によって電線路に発生する電界をどう解釈するか?巻き線で正負の『電荷』を発生出来ないだろう。さて、電界が在れば、電束密度あるいは電束が決まる筈である。図に示したように、電束密度 D[C/㎡]が空間誘電率εoから決まる。そこに面積を考慮すれば、電束量が電荷の単位[C]で得られる。電界の場には電束と言う線束が伴うようになる。その単位がクーロン[C]であれば、点電荷と言う『電荷』の空間像は観えない。電荷の論理性 (2020/10/26) 。電磁誘導現象の真相 (2020/10/25) 。

記事の冒頭の図表に『電子』は入らない。電気理論の概念をまとめたが、量子力学はじめ、半導体など殆どの基礎理論は『電子』が無ければ物理学理論が成り立たないようだ。それなのに図表には『電子』の入る余地が無い。それは電気回路現象には『質量』と『負の電荷』を持つ『電子』の果たす役割が無いからである。

— ここの記事が消えてしまった? –そこには、『電子』による理論構築が全ての根底をなす関係から、粒子的な捉え方が必要であったからであろう。しかし、上の図表には『電子』は入る余地がない。その訳は、『電子』の概念には『質量』が無ければ粒子的解釈が出来ない。電磁気学には無い『質量』を組み込めないためである。 電磁気現象や電気回路には『質量』は必要がない筈だ。そこには『質量』とは何か?の哲学的考察が生まれる。同時に『電荷』と『質量』を空間に含む『電子』の自然世界での役割は何か?となる。

(*1) :日本物理学会講演概要集。61-2-2. p.196. (2006.9.24).

電荷の論理性

長い間科学論、特に電気理論でその基本概念に『電荷』がなっていた。原子理論も雷もみんな専門家の解説はそのプラスとマイナスの『電荷』が基礎に成っている。クーロンの法則で、電荷間の『力』が科学論の拠り所として長い伝統を支えている。

電荷に論理性が有るか?

余りにも素人らしい疑問であるが、プラスの『電荷』+Q[C] と マイナスの『電荷』-Q[C] が結合したら、そこには『何』が生まれるのか?

算数で、    (+1)+(-1)= X

の X は幾らか?と尋ねられた。

答えは     X = 0

となる。

『電荷』の場合はどのような論理性で解釈すれば良いか。理科教育の未来の希望を尋ねる問題としたい。子供達も学校の先生も考えて欲しい。

 

電磁誘導現象の真相

ファラディーの法則(2020/10/24)。それは19世紀初めに唱えられたアンペア―の法則と共に電気現象の不思議を解き明かす基本法則である。電気回路現象の解釈の要となる概念が『電流』と『磁束』であろう。ファラディーの法則で、『磁束』がその主要概念となる。しかしよく考えると、コイルに磁束が鎖交すると何故コイルに起電力が発生するかの理由が分からない。金属導体のコイルと磁束の間の物理現象はどの様なものか。『磁束』とは一体どのような空間的物理量か。「科学技術概念の世界」を書きながら、さきにこの記事を投稿する。

磁束が自然世界にある訳ではない。人が電磁誘導現象の訳を解釈するために仮想的に決めた概念である。『電圧』とは何か?と同じように『磁束』の意味も分からないのである。磁石のN極側から空間に放射する線束として解釈して居よう。空間に線束とはいったい何だろうか。磁束や磁界と言う解釈概念は、本当はそのN極およびS極の周りをエネルギーが回転している空間現象なのだ。その様子を図の磁束φの先端に記した。N極側から見て、時計方向に回るエネルギー流なのだ。コイルの端子電圧Vはコイル1ターン毎の単位電圧vuの加算の電圧となる。丁度乾電池を積み重ねたと同じことになる。

コイルはコンデンサである。電線を二本平衡に張ればその間にはコンデンサが構成される。電線間の離隔距離と電線の形状・寸法でコンデンサ容量は変わる。コイルはその電線の間にはやはりコンデンサが構成されていると考えて良い筈だ。コイルの端子電圧の意味を少し深く考えれば、そのコイル電線間のコンデンサ容量と、そのギャップ間の貯蔵エネルギーとの関係を見直せば、新しい電圧の概念で統一的に捉えられると考えた。コイル巻き線間の間のエネルギー量をδ[J/1turn]とすれば、1turnコイルの電圧vuは図のように認識できる。丁度1turnの電圧を巻き数n倍すれば、コイル端子電圧Vとなる。

変圧器と『エネルギー』反射現象。

先に電気回路は直流も高周波も同じ電磁現象の基にあると述べた。変圧器は電気回路の中でも少し異なった、電力工学の捉え方が中心になって認識されているようだ。物理学の変圧器の解釈は励磁電流による磁束発生がその根本原理となっている。もう励磁電流などと言う解釈は過去の遺物概念と破棄しなければならない時にある。そこで更に先に進むには、変圧器も電線路に繋がれた一つの負荷でしかないと考えざるを得ない。其処では負荷と電線路特性との負荷整合の統一的解釈にまとめなければならない。変圧器での電源間とのエネルギー反射現象をどの様な認識で捉えるべきか。空芯であればすぐ短絡現象になる。鉄心がある事で、技術概念の『磁束飽和』に至らずに短絡せずに済む。それは鉄心へのエネルギー入射が時間的に長くかかり、鉄心でのエネルギー反射が巻き線空間を通して電源側に起きるからと考える。後に、追記で図によって示したい。ひとまず基本的な真相だけを述べた。

 

 

学問の自由とは

第23条 学問の自由は、これを保障する。この条文が日本国憲法に示された学問の自由についての規定である。
この「学問の自由」という意味は中々深い意味を持っていると思う。300年以上前の事件がある。社会の学説として支配していたものが地球中心の、天動説である。それは地球の周りを太陽が回転している宇宙観。当時の権力者は宗教であったのだろう。ガリレオ・ガリレイが権力支配者の世界観に対して、反対の地動説を唱えた。宗教裁判によって、ガリレオ・ガリレイは300年間も不届きな学説を唱えた罪で有罪と判決された。「学問の自由」は生活をも賭けた本気が試される大切な生きる「自由」の尊さなのだと思う。平和への戦いでもあるのだ。自由の学問・研究が保証されない世界がどの様なものかを思ってほしい。
10億円もの政府予算が・・。だから総合的、俯瞰的(高い所から見下ろす、という意味のようだ)な活動を求める観点から‥。と、専門的な研究者組織の「日本学術会議」に政治的権力の行使(任命拒否)は学問の専門性の内容に政治家が評価を下す奇妙な事件と思う。『俯瞰的』な能力を要求することが果たして政治家・行政組織に許された評価権限と言えるのだろうか。10億円の言葉は経済的な権力支配で『学問の自由』と言う崇高な現代社会の守るべき未来への希望の砦を掻き崩す虞を感じる。政府予算は必ずしも日本の為だけでなく、世界に学問の崇高な価値で、経済的だけでなく貢献する施策でなければならない筈だ。
『学問の自由』は未来への平和と希望を生かす砦である。思想・信条の精神の独立を守る砦でもある。
『自由』の尊さは、それが困難な闘いを勝ち取ってこそ得られるものだから。学問は本来経済的でないところにその価値があるものと考える。

日本の教育制度について。

先日新潟県の高等学校の校則について、教育長が質問に答えていたようだ。行政官が教育内容の生徒の校則について答える姿は異常に思える。学校教育に現場でどれだけの経験と能力があって、子供の教育に精通していると言えるのかと疑問に思わざるを得ない。教育委員会の責任者は教育委員長で、教育現場での実績を積んだ教育の専門家が担うべき役割の筈だ。行政職の役割ではない筈だ。

文部科学大臣。教育の行政トップは「教育の政治的中立性」からして、本来政治家が担えるものではない筈だ。教育界から実績のある現場を知り尽くした教育の専門家しか担当できないはずであろう。『学問の自由』と言う重い政治行政の判断は専門家の意見に従ってこそ担保される筈である。教育勅語に郷愁を抱くような大臣は、教育における政治的中立性の意味からも失格の筈だ。

今日、30年以上かけて、漸く辿り着いた。エネルギー流が電圧・電流 (2020/10/1) に懐中電灯の直流電気現象として自然の神髄に辿り着いた。決して日本国家のために学問の自由の思想はある訳ではない。世界の子供たちが、本当の教育を受けられるようにとの思いが根底に在って辿り着いたと思う。平和と真理は尊いものだ。経済に代えられないとも思える程の尊さ。経済競争が原因で戦争になる危険を学問の自由の砦で阻止しなければならない。子供たちが懐中電灯の自然現象を、決して『電子』などの偽りに依らないことを理解する教育であってほしい。学校が学習指導要領に縛られない学問の自由が教育できる場であってほしい。

エネルギー流が電圧・電流

電圧・電流の物理的正体(2020/09/29)。

長い電気回路の解釈を通して、感覚的に納得できたかと思う。『電荷』概念を捨てて、電気磁気学の科学論の常識から離れて遠い道を辿ってきた。パワーエレクトロニクスと言う新しい電力制御技術に出会い、その回路制御技術を通して『エネルギー』の実在性を感覚的に身に深く刻むことが出来た。様々な過程を経て、理論と『エネルギー』の間の不協和を謎として追究してきたように思う。電気回路は電圧と電流なしには解釈できない。その電圧と電流が回路の線路空間を流れる『エネルギー』の流れとして捉えて良いとの結論を得た。

直流回路のエネルギー流。

電池などの電源からランプを点灯する回路。それは最も基本となる直流回路だ。その電気回路は二本の電線で囲まれた空間を『エネルギー』がほぼ光速度で伝送される機能設備と言えよう。電線路はその空間が電気的特性、コンデンサとコイルによって特徴付けられる機能回路である。電線路の単位長さ当たりの持つ静電容量 C[F/m] とインダクタンス L[H/m] によってその空間の特性が特徴づけられる。その C L によって電気『エネルギー』の電線路特性が決まる。電源の特性は電線路に供給する『エネルギー』の供給能力で評価できる。電源端子の線路容量 C で供給する『エネルギー』の分布が決まる。それがそのまま電圧と言う技術量を表すことになる。電源の電池やその他の直流電源は技術的な電圧規定値、定格値でその能力を評価できる。電源から送出される『エネルギー』は線路特性に因る伝送速度 c で次の式で決まる。

c=1/√(LC) [m/s]

電線路の分布した『エネルギー』がδ[J/m] なら、その伝送速度が c となる。この伝送特性は、高周波伝送であろうと商用電源であろうと全く違いはない。直流回路も同じ基本特性にある。

直流回路の反射現象。

直流回路のエネルギー反射現象と言う認識は無いと思う。ここで述べる解釈は、おそらく科学論としては評価されないかも知れない。何故なら、全く科学的手法の原則である実験的検証による説得力のある論ではないから。しかし、電気現象が全て『エネルギー』の光速度伝播であるとの認識に立てば、その伝播空間と『エネルギー』の関係から電磁波の周波数に因る差異がある筈が無いとしか考えられない。となれば、伝送回路の空間特性により、特性インピーダンスの意味も負荷の整合性で直流回路においても全く同じ筈と考える。伝送エネルギーが負荷に到来しても、整合性の執れていない負荷では、その内のある分の反射現象が起きる筈だ。

反射現象で、反射エネルギーはどの電線路側を戻るか?ここにその判断の鍵があるようだ。プラス側を戻るか、マイナス側を戻るかに判断を下さなければならない。

反射エネルギーは負側の伝送エネルギーの到来側をそのまま反転して戻る。そう結論を付けた。

負荷の反射は回路の特性インピーダンスZoと負荷抵抗Rとの関係で整合が採れているかどうかに因る。今負荷抵抗が回路のZoのα倍とする。図のように負荷で伝送エネルギーδpの内のδrが反射するとする。負側電線路のエネルギー分布量δは二つの合成となる。負荷で反射して、電源に到来する『エネルギー』分布波δr分だけ電源から送出する『エネルギー』δpは少なくなる。電線路エネルギーギャップはδ=δp+δrと、電圧保持分布量に成っているから。

模式図。上の関係を模式図にまとめる。

負荷が整合に在れば、α=1である。『エネルギー』の反射は無く、電源供給の『エネルギー』δ分布で、そのまま負荷に吸収・変換される。

【実験的課題】α<1の時。特性インピーダンスZo より負荷抵抗が小さい場合に当たる。この時、電源の供給能力があれば、あくまでも電圧を規定値に保つべくδpを増加するかと言う問題になる。一つの実験的検証の課題が浮かぶ。プラス側を反射波δrが電源に戻る。その分多く電線路エネルギーギャップがδ=δp-δr、V=√(δ/C) となるように、δpが多く送出されれば解決となる。実験的に確認したい未解決問題。

関連記事。

電流と電圧の正体 (2013/05/16) 。電気の真相(3)-電圧と負荷-(2015/09/25) 。電圧-その意味と正体- (2016/05/15) 。エネルギー伝播現象 (2020/06/27) 。『電圧』という意味  (2020/07/04) 。電圧とエネルギー (2020/07/10) 。技術概念『電流』とその測定 (2018/09/24) 。などの解釈を経てきた。