磁気エネルギーと解釈描像

『エネルギー』と言うと何を思うだろうか?

エネルギー(ENERGY)とは? (2011/09/07) と初めの頃に取り上げた。特に自然科学は、物理学は確認可能な検証できる即ちその論の意味が目で見て確認できることが要求される。しかし『エネルギー』はその姿を見ることが出来ない。例えば、光を見ても、その光の空間像は見ることが出来ない。真赤な花弁を見ても、その光の赤い訳を見ることはできない。『物』は目でその姿を見て、その物の存在することは疑いなく確認できる。月を見れば確かに月は見えるからその実在を疑わない。ところが『エネルギー』は目で見ても、顕微鏡で見てもその姿を見ることはできない。その見えない対象は、物理学での観察・考察対象になれないのかも知れない。見えるもの 見えないもの (2015/03/04) もそんな意味を考えたのだろう。

少し考えても、『エネルギー』は漠然としていて、その実態を捉え難い。空間に存在するのだが見えない。磁石の磁極を見ても、マグネットの金属は見えるが、そのマグネット金属体の周りの空間に何が在るかは全く見えない。磁石の先端の空間には何かが在るから、N S極間に磁力が働くのだ。その磁石の空間に在るものを、科学論として解釈できるか。人が納得するように、その磁力の意味を解説できるだろうか。N極から出る磁束がS極に入ると言う説明で、だから磁力が働くと解説する。何となく磁束と言う線が繋がれば、その間に力が働いて、引合うと解釈させられる。という具合では、磁力の発生する明確な説明には成っていない。学校で先生に聞いても答えられないだろう。何故磁力を取り上げたかと言うと、磁石の磁極の周りの空間には『エネルギー』が回転している意味で、見えない『エネルギー』の具体例として選んだからである。磁束と言ってもそれも目には見えない。だから本当に「磁束」が在るのですかと質問されたら答えに窮する。同じく『エネルギー』がどうして回っていると証明できるのですかと質問されたら、矢張りお手上げだ。と言って居ては埒が明かない。

見えないものの存在を、『存在する』と分かって貰う、納得してもらうことは至難の業だ。

電気回路のコイルの中に『エネルギー』が実在する事を納得してもらう事は難しい。

E=(1/2)Li² [J]

等と、数式で表現して、コイル内に『エネルギー』がある事を理解してもらう。と言うより、強制的に憶えさせる。覚えても決して理解してはいない筈だ。分かる、納得して理解するには、『電流』とは何かが明確に分からなければならないから。『オームの法則』を使えても、決して『電流』の意味など分からない筈だ。殆どの物理学の先生も分からない筈だ。教科書の解説を『電流』の意味が分かった人が書いていないから。『電子』や『電荷』などは自然界に存在しないので、その概念では分かった説明には成らないのだ。

と言う訳で、『磁気』とは何か?一体磁石の周りに『何』が在るのだろうか?その事の意味を導き出すのが物理学の学問としての専門性なのだ。しかし物理学には空間に存在する『エネルギー』の認識が残念ながら無いのだ。『エネルギー』は見えないからだろう。だから『電子』で全ての解釈をしているのだ。『電子』など電気回路の解釈には何の役にも立たないのだが。以上、磁気の『エネルギー』の空間像を電気回路の中で解説しようと言う訳だが、その困難さを述べた。

磁気回路。

前の記事に関連した解説である。右図のようなコイルに方形波の交流電圧を掛ける。このコイル内には磁気の『エネルギー』が出入りする。普通は電源電圧と電流値で解釈する。しかし実際は、『エネルギー』しか流れていないのだ。その『エネルギー』をここでは、e の記号で表現する。『電子』記号の意味ではないのでご注意ください。電線の負側の近傍空間を『エネルギー』は流れる。丁度『電流』の向きと反対である。その流れ方は、電線路空間の線路特性の定数、静電容量C[F/m] インダクタンスL[H/m]によって、その電線路空間構造が評価でき、その特性によって電気『エネルギー』の流れは決まると先ず理解する必要がある。その状況は負荷特性にも勿論関係する。

電源スイッチング回路。

Lo に印加する電圧波形はスイッチAB とCDの二つの組み合わせを交互にオン、オフさせれば得られる。スイッチと逆並列にダイオードを繋ぐ必要がある。負荷がリアクトルLoだけであるから、『エネルギー』は消費しない。スイッチをオン、オフする一周期T[s]とする。リアクトルのエネルギー e[J]は時間T/4[s] 毎に貯蔵・放出を繰り返す。

電圧v、電流i は過渡から定常状態になった後は、右の様になる。リアクトル Lo の『エネルギー』 e[J] は図のように、4分の一周期、T/4 毎に充・放電する。この e [J]の波形の値は電圧極性によって、コイル巻き線間の『エネルギーギャップ』分布を考慮していない、『エネルギー』貯蔵量を示すだけである。

回路伝送特性。

伝送回路はスイッチを含む複雑な回路である。然し乍ら、基本的には電源電圧 V とリアクトル Lo 間の L 、C 定数回路を通した伝送回路となる。実際にはスイッチ部の電圧降下損失があり、その特性への影響を考慮しなければならないが、少し難しい。

『エネルギー』 e の極性変換。

コイルの貯蔵エネルギー e は電源電圧極性で、コイル内の『エネルギー』もその極性が変る。モード④からモード①への転換時にコイル巻き線空間の『ギャップエネルギー』δoの負極側への急転で電圧極性に対応する。然し内部回転流の方向は変わらない。その極性が右図の向きである。

コイル巻線内の『エネルギー』の様相を示す。上の図のモード④から①に転換した状況である。コイル巻線の1ターン当たりの静電容量 Co[F]とし、巻き線間の1ターン当たりの分布エネルギーをδo[J]とする。コイル印加電圧Vが逆転した瞬時に、分布エネルギーδoの位置が上下で移動する。その様子を示した。電圧が逆転しても電流は同じく流れ続ける。しかし電線路分布の『ギャップエネルギー』は電圧の負側に連れて同時に変わる。なおコイルの茶像『エネルギー』 e[J] は巻き線間だけでなくコイル内に軸流として存在している分を含めたものとなる。その軸流がコイルに磁極を意味する事に成る。

1ターン当たりのコイル巻き線電圧 vu[V] は

vu=√(δo/Co)

で、端子電圧 V=n vu と巻き線数n倍となる。

ここに示した解釈の論は決して観測、測定できない『エネルギー』に関する現象を論じたものである。『電子』などが電気回路現象には何の役割も持ち得ない事の確信から、電源も負荷も全て『エネルギー』に関する供給、需要をその核心に捉えるべきものとの解釈に立てば、自然とその『エネルギー』のあるべき姿を感覚的に捉えた結果の論理である。『エネルギー』とはどの様な物理的現象を呈するものかの一事に因った解釈である。

なお、スイッチング素子の電圧ドロップのロスは回路に等価的には、電池を電線に直列に挿入した回路で評価できよう。電源側の供給『エネルギー』が負荷側電線路で『ギャップエネルギー』δp[J/m] の減少を来すと解釈すれば良かろう。

右図のコイル『エネルギー』。

周期Tの4分の1づつ電線路の『エネルギー』流が変る事に因っている。丁度、LCの共振現象と同じく、電圧一周期の T/4 毎にコイルの『エネルギー』の充・放電が起きる。その様子を示すものである。

過去のすべての研究が生き甲斐である。物理学理論の新しい認識を生かすために、その経済的補償を要求する。

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