カテゴリー別アーカイブ: 理科教育

定在波の発生原理

定在波とは(2020/09/22)。ここで解説する意味には『電圧』と『電流』で定在波を論じる。しかしその『電圧』と『電流』の意味には深い意味が有るので、一般的な電気回路の『電圧』『電流』とは少し異なる意味かも知れない。それは測定法に関わるので、その点も含めてご理解いただきたい。この定在波測定回路については後の記事に示したい。

電気現象はその基本が『エネルギー』一つの振る舞いである。しかし商用周波と高周波あるいは直流とそれぞれ回路解析法は異なる手法が適用される。高周波回路は電線路長に対して電気信号の波長が短いために、その電気現象は特異なものに観えることになる。それが定在波と言う波についてであろう。定在波は電線路終端短絡の場合に顕著に、そこからの反射波と伝送波の間に起こる現象として強く現れる。負荷終端の場合は、様々な影響が定在波分布に現れる。専門的な解説が多く示されている。しかし、とても内容が複雑で筆者には難しい。それも波動と言う波形が何を表現したものかが分からない。ここでは伝送波も反射波も全て『エネルギー』の分布密度波として捉える解釈について論じたい。

インピーダンス整合。

負荷インピーダンスが電線路の特性インピーダンスと整合して居れば反射波はない。すべて負荷に伝送エネルギーが吸収されて反射するエネルギーは生じない。それがインピーダンスマッチングと言う状態なのだろう。

電線路電圧の概念。

電気現象は『電荷』を否定して初めてその真相が見えてくる。高周波であろうと直流であろうと、電源は電線路の空間を通して、『エネルギー』を負荷に供給する回路技術である。二本の電線a と b の間に高周波電圧を掛けるとする。その電圧を掛けるという物理的意味をどのように解釈するかと言う難しい話になる。まさか電線に正の電荷と負の電荷を交互に電源から送出するなどとは考え難いだろう。①には、『エネルギー』の波の伝播で示した。電線路に電圧測定装置、オッシロスコープ等を繋げば②の様な電圧波形が得られるから、電圧と言う物理量が自然世界に存在すると誰もが考え易い。しかしその電圧と言う物理量は、人が科学技術に依って獲得した測定技術の賜物であって、簡単に電線路に電圧が在ると理解するには、それはとても深い物理的意味を知らなければ分かり難い概念なのである。

定在波とエネルギー流。

終端短絡の定在波とは。電線路の位置によって、電圧や電流と言う概念の分布を測定すると、測定値が正弦波状の分布になる。その分布波形を定在波と言う。終端短絡の時、『エネルギー』は電源から伝送され、終端ですべての『エネルギー』が反射する。その往復の『エネルギー』の波動が重なり合い、その密度分布の大きさが電線路の位置によって決まった脈動をする。図の電圧の定在波をVで示し、電流の分布をIで示した。電圧定在波Vは常に零の位置がある。『エネルギー』は電線路を光速度で流れるから、電線路の位置によって流れが違う訳はない。それなのになぜ測定値が異なる正弦波分布になるかと言う疑問が沸く。そこに『定在波』と言う意味が隠されているのだ。

今、図のように電線路の長さが電源電圧波長の2倍の長さとし、その終端を短絡する。電線路を短絡するなどという事は普通は短絡事故と考える。しかし、高周波電圧波形の場合は、『エネルギー』密度がそれほど高くなる前に極性が反転して、高密度にならないため、短絡しても事故とならずに済む。極性の切り替えが早く高密度エネルギーにならずに済むためである。短絡終端に到達したエネルギー波はすべて反射して電源側に戻る。その反射伝送は到来『エネルギー』波の反対側の電線近傍を、即ち反対側電線を戻る。

電線路電圧の意味の追加説明。この事は別の記事にして示したい。短絡終端は当然電圧は零である。電圧零という意味は二本の電線路の両方が同じエネルギー分布であれば、それ電線路間の電圧は零である。電圧とはエネルギー分布ギャップを評価するものである。それは乾電池電圧の『エネルギー』の意味と同じものである。二本の電線間にエネルギーの分布差が無ければ、如何にエネルギーが大きかろうと電圧は零である。エネルギーギャップ零は電圧零である。

この記事は

金澤:分布定数線路実習に対する一考察。新潟県工業教育紀要 第3号、(昭和42年)。に載せた定在波分布波形の意味が良く分からずに、改めた考えてみた。実験での測定データなどは他にあまり見当たらない。その意味でとても貴重な資料と考える。正直に当時を振り返れば、よくこんな実験をして、報告記事にしたと驚いている。その訳は今でもそのデータの意味が良く理解できないのだ。その意味を少し掘り下げて理解してみたい。その第一報として定在波と『エネルギー』の関係だけを論じた。一般の解説には『エネルギー』の観点はほとんど示されていないように思う。

 

原子構造と8面磁極

原子構造(2020/09/13)。

原子構造論など全くの素人が申し上げるのは大変恐縮である。しかし、『電子』の存在を否定したら、標準的原子構造論を信じられなくなる。専門家の論理を否定せざるを得なくなる。誠に不遜の極みとお恥かしい次第です。

八面体と軸性エネルギー流。八面体の表面は軸性エネルギー流(Axial Energy flow)の磁極との解釈を提案した。図の赤い丸は N 極、青い丸は S 極を示す。水素原子は最小のマグネット単位原子と解釈する。もし『電子』を考えるなら、それはもっと小さな軸性エネルギー体のマグネットと考えればよいかも知れない。しかし電気回路ではそんな『電子』も必要ない。分布定数回路を考えれば、そこには電線路空間内のエネルギー分布流しか考えられない。従来の分布定数回路と言うインピーダンス認識も考え直す必要に迫られる。

原子の基本的特徴。周期律表に示されるように、やはり8の周期性で特徴付けられるのは確かであろう。中心には核があり、その周りを『電子』が取り囲んでいるような構造体として原子を捉えているのが常識的科学論である。原子は他の原子と結合する性質を基本的に備えている。原子の空間像をどのように捉えるかは、その結合の機能を何に求めるかに係っていよう。常識論である原子構造は外郭電子同士の結合にしか説明が付かない。だから「共有結合」なる電子間の結合力を頼りにする以外ない。あるいは電子が理由は不明だが、相手の原子に移り、その結果イオン結合なる結合理論を唱える。そんな電荷間の「クーロン力」に論理性が成り立つと考えること自体が、失礼ながら何も考えていないとしか思えない。

新電磁気学の事始め (2020/09/15) 。『電子』周回構造の原子論批判の為の記事とした。

新電磁気学の事始め

電気磁気学への希望 (2020/09/14)。それは大きな代償を払わなければ難しい。困難の原因は現在のあらゆる科学理論の拠り所たる『電荷』概念の否定しかないから。

教育。 教育基本法(原)(昭和22年3月31日)の前文。

われらは、さきに、日本国憲法を確定し、民主的で文化的な国家を建設して、世界の平和と人類の福祉に貢献しようとする決意を示した。この理想の実現は、根本において教育の力にまつべきものである。                   われらは個人の尊厳を重んじ、真理と平和を希求する人間の育成を期するとともに、普遍的にしてしかも個性豊かな文化の創造を目指す教育を徹底しなければならない。

この教育の基本方針によって、真理を希求する人間の育成を期するためにも、過去の科学理論の矛盾を勇気をもって排除する以外に、未来への希望は無いものと覚悟すべきである。

第一の要諦。

決して電荷は自然界に存在しない。従って、「電荷間に生じる力」なる表現は論理的な矛盾を含み、使ってはいけない。「クーロンの法則」は間違った法則であった。それを教科書から排除してこそ未来の教育が始まる。記事の右上の検索で、クーロン力で検索すると過去の幾つかの記事が現れる。不可解な電荷 (2019/5/26) もその一つ。それは『電子』なる概念も否定されることになる。この主張は所謂「不協和音」(9月7日の新潟日報座標軸の記事を見て知った欅坂46の歌詞を見て、弱気になった。)になる。原子構造論の否定にもなるから。恐ろしい結果になる事、即ち教科書の電子論を否定する事が、また高分子結合の水素結合とは何か?の極めにもつながる事だから。すべてが軸性エネルギー流(Axial energy flow)の磁気結合につながる予測を生むから。『エネルギー』一つの基礎概念にまとまるから。

子供達への教育は、子供たちが余裕をもって日常生活が送れるように、少ない内容の広く応用につながる大事な基礎に重点を置くことに勤めなければならない。

『エネルギー』の意味を考えて欲しい。

 

 

教育とオームの法則

オームの法則(2020/09/05)。

電気の学習で最初に学習するのは『オームの法則』ではなかろうか。電気回路の電圧と電流と言う電気の基礎を学習するものである。懐中電灯は誰でも家庭に備え付けられていて、手に取って見る事が出来るだろう。その電気回路は最も基本の電池とランプの回路だ。その回路の意味を教える理科での指導法を述べたい。

自然の本質・真理を教えることを主眼に。本筋を易しく教える。その後に技術法則の意味や使い方を教える。それが大事だ。

最初から電圧や電流などの言葉を教えるべきでない。そんな難しい概念が理解できる訳はないから。その意味を教えようとするなら、そこには必ず曖昧な解釈が入る。『電子』などこの自然の世界には存在しないのだから。

学校教育。学校で教えるとすれば、電池と豆電球を電線でつなぐ。するとランプが点灯して光る。その訳を教えるとき、電池のプラス端子から電流が流れ出て、豆電球に流れて、電球が明るく光ると教るだろう。その教え方が間違っているとは言えない。それは正しいのだ。その先に疑問が沸き、何故かと考えるかも知れない。そこでパソコンや携帯端末でインターネットから学習しようとすると、本当は『電子』が電流の逆に流れていると解説されている事に戸惑うことになるだろう。学校教育は教科書によって教える。その教科書の内容や教え方は文部科学省と言う政府機関で細かく決められて、その『学習指導要領』の指導指針で厳格に決められて、勝手な指導は出来ないことになっている。教師の教育指導法に自由が許されない仕組みだ。

オームの法則の学習指導法の理想。

学校教育の内容とは違うが、電気回路現象は教科書のような解説では本当のことは理解できないのだ。兎角数式で解くと程度の高い理解に結びつくと考えるのではなかろうか。本当はそうでは無いのだ。数式は確かに高度な科学技術を理解するにはとても有効で、便利ではある。しかし、その数式で解いたからと言って、懐中電灯の電気現象が理解できる訳ではないのだ。何処までも何か納得できないで疑問が残るかも知れない。しかし今まで誰もがその疑問に真剣に向き合ってこなかったのではなかろうか。何処かで、電流が流れる事で分かったことにして置こう。それが科学技術社会での常識の世界で社会に役立てる道であるから。と決まる。『オームの法則の真相』は電気現象の自然現象を理解しなければ分からないのだ。言葉で述べて説明できなければ、本当の電気現象の真相を知ることはできないのだ。それは誰もが簡単に理解できることだと思う。その真相を説明したい。

上の図はその電気回路の真相の説明用の図である。電線の中を電流や『電子』が流れる訳ではないのだ。しかしオームの法則によれば、流れる電流は

I=E ÷ R [A]

と簡単に数式によって算出できる。その値は電流計で測る値と等しい結果になる。それだけで、オームの法則が如何に優れた科学技術法則かが分かるだろう。それなのに、その計算に依て理解することは、この電気回路の本当の自然現象を理解したことには成らないのだ。電線の中など何も流れてはいないのだ。流れるのは、電線で囲まれた空間内の『エネルギー』しかないのだ。それも光の速度で瞬間に流れるのだ。電気信号が伝わる速度は光速度だと昔から分かっていた。『電子』が電線の中を光速度で流れられる訳などないのだ。それなのに、何故か『電子』が電線の中を流れると解釈するだけで、信号が光速度で伝播する事との関係を突き詰めて考えようとして来なかったのではないか。電気回路の電線で囲まれた空間を光やスマホの電波と同じく、光速度で流れる『エネルギー』なのだ。図のように、それも電線の負側の近くの空間に多く流れる現象なのだ。電線の正の側は『エネルギー』の伝送空間を規定するだけに近い役割と見做せるだろう。あくまでも自然現象には『電子』や『電荷』は全く存在しないのが、その真相である。だからと言って、その空間の『エネルギー』の流れを測定するなど不可能な事である。見る事も測ることも出来ない物理量『エネルギー』が自然世界を支配している現実世界なのだ。この事は数式など計算しなくても、誰でも基本として認識すべき真相なのだ。その上でこそ『オームの法則』が如何に優れた科学技術法則であるかが理解できる筈なのだ。空間を流れる『エネルギー』を電流計と電圧計で計測する技術を完成させた事の意味をよく理解しなければならないのだ。それは素晴らしい人類の科学技術として完成するまでの努力の結晶なのだ。空間に流れる目に観えない、測れない『エネルギー』を電圧と電流と言う二つの計測器によって測れるようにしたのだ。これほど簡便な量的理解ができる法はないのだ。電流計や電圧計が如何に優れた科学技術の成果であり、文化であるか。それを理解することが、理科教育の本筋でなければならない。

電気回路はすべて『エネルギー』が空間を流れる現象である事を理解することである。それが全ての科学理論の理解の基礎となるのだ。これは科学や理科の教育で、すべての方に理解してほしい基本と思う。広い科学の分野で、その分野ごとに独特の概念が使われるが、それはそれで専門分野ごとに違っても良いだろう。しかし学校教育の基礎で、余りにも複雑な科学技術概念をそのまま教える事は、子供たちの自主性と創造性を損なう意味で考え直して欲しい。しかも結局理解できないモヤモヤの気分を後に残す。そして多くの細かいことを記憶させる膨大な内容によって子供たちの折角の豊かな感性と日常生活のゆとりを損なうことになる。

〈問題〉。上の回路で、負荷が要求する『エネルギー』を電源はどのように判断するか?もちろん電池に認知機能などない筈だ。電池が送り出す『エネルギー』はどのように決まるか?

「答」。電源は『負荷』のことなど一切関わりない。何も知らなくても自然の摂理でそのままの『エネルギー』の量が決まる。その意味を考えてください。計算式では答えに辿り着けない。

政治と教育

教育基本法(昭和22年3月31日)われらは、さきに、日本国憲法を確定し、民主的で文化的な国家を建設して、世界の平和と人類の福祉に貢献しようとする決意を示した。この理想の実現は、根本において教育の力にまつべきものである。・・。

と新しい教育を目指して戦後の日本が始まった。しかし、『根本において教育の力にまつべきものである。』が何処か変質したものに変わったようだ。教育の政治的中立性 (2020/07/22) 。

政治と行政は密接な関係である。日本の教育行政は文部科学省が担っている。そこで、教育の中身が決められて、その規定事項に従ってしか教育が許されないことになっている。予算の裏付けによって子供たちの理想の教育が初めて可能である。『学習指導要領』と言う国家行政の検閲によって教育内容が縛られている。

理科教育について「学習指導要領」の内容を学習させて頂いた。

右は高等学校学習指導要領(平成30年告示)解説の77ページである。

原子に関する部分の文章を読むと、

電子、原子及び原子核に関する現象についての観察、実験などを通して、次の事項を身に付けることができるよう指導する。

ア 原子について、次のことを理解するとともに、それらの観察、実験などに関する技能を身に付けること。

イ 原子について、観察、実験などを通して探求し、電子と光原子と原子核における規則性や関係性を見いだして表現すること。」と書かれている。

‥の観察、実験などを通して・・とはどの様な事を指しているのか?これが教科書を検定する検定基準になると解釈する。とても腑に落ちないのだが、教科書検定以前に、この学習指導要領の内容と意味を『検定』する必要はないのか。誰がどのように『合格』と判定して告示に至ったのだろうか?

また、思考力、判断力、表現力等を育成するに当たっては、原子について、観察、実験などを通して探求し、電子と光、原子と原子核における・・。等と原子について「観察と実験」とはどの様な事を想定した指導要領か?これで子供たちの理科教育を考えた教育機関の目的がどこに在るのか理解できない。

教育と学術審議会と政治。

何か政治の目玉が見当たらないと、教育を政治の題目にするようだ。政治が教育を取り仕切る日本の教育制度は正しいのだろうか。教育委員会の制度が形式的に整えられている。しかしそのトップは行政機関の教育長が取り仕切っている。独立した教育委員長ではない。

教育審議会が教育の基本方針を答申し、それによって方向付けられる。教育審議会委員は行政が選任し、その方向性は既にそこで決まるようだ。その結果が上に挙げた「学習指導要領」として決まって行く。日本の科学者は上の例のような「原子に関する、観察と実験・・」の教育指導論で良いと考えているのだろうか?今回「学習指導要領」の一部を拝見して驚いたので取り上げた。『電子』が電気現象には無用のお荷物であるとの認識から。

『電圧と電流』すべて逆だった

電気現象の解釈は長い歴史を経て、今電気理論として科学技術の根幹をなしている。しかし、そこには大きな誤算があった。『電圧』と『電流』に物理現象としての論理性がなかった。しかし、これからも「オームの法則」として科学技術に欠かせない理論として社会的な文化であり続ける。

科学理論と自然世界。

特に物理学理論として『エネルギー』の実在性を見誤ってきたところに、科学者の現代的責任が問われなければならない。『電荷』は自然界に存在しないのだ。従って、『電子』は誤った科学概念であった。電気現象に『電子』は不要の存在であった。そこに現代物理学の誤りの根源がある。

電気現象はすべて『エネルギー』の流れである。『電圧』は電気回路のエネルギー分布の逆向きの方向に定義した技術概念である。『電流』も電線の近傍空間に流れる『エネルギー』を、逆向きに流れると定義してしまった科学技術概念である。しかも、その『電流』の逆向きに『電子』と言う実在しない概念を創り出して、論理を構築してしまった。そこに科学理論の根本的矛盾を持ち込んできたことになる。光も『エネルギー』の流れである。今太陽電池の現象を考えながら、先に『電圧と電流』の自然現象・理科教育としての矛盾を述べた。

電気工学から物理学を問う (2017/04/09) の回答であったかも知れない。

Is Coulomb force between charges logical?

What is the principle of the force that the same charge collects? How much charge can be collected? Is it possible with Coulomb force ? What other principle of collective force is there? (訳)同じ電荷が集合する力の原理は何か?どれ程の電荷集合量迄可能か?クーロン力で可能か?他にどんな集合力の原理があるか?

Coulomb force is the basic of charge theory. The mystery in the theory of charge is “whether there is no contradiction in why they are discussed on the assumption that the same charge are collected.” (訳)電荷論の基本にはクーロン力が在る。その電荷の理論での不思議は『何故同一電荷が集合することを前提に論議されるのかに矛盾はないのか』という事である。

There is no “concept of force” for no object that cannot assume acceleration. “Charge” cannot define acceleration. Therefore, there is no logic in charge theory to discuss “force” in dynamics. (訳)加速度を伴わない物に『力の概念』は有り得ない。『電荷』には加速度を定義できない。だから、電荷論には力学上の『力』を論じる論理性がない。

Coulomb’s law does not include the underlying mass of the concept force. So it cannot be a formula that expresses the “force” in dynamics.  (訳)クーロンの法則は力の概念の基となる質量を含まない。だから“力”を表明する式とは成り得ない。

 

ロゴウスキー電極空間の磁界

はじめに(2020/06/09)。
電気工学の分野に「高電圧工学」がある。高電圧送電系統の安全設計に欠かせない基礎工学部門である。雷が送電線路に及ぼす影響を調べるに、高電圧放電現象を研究する標準電極がロゴウスキー電極である。直流の高電圧をその電極間に印加すれば、その空間は静電界と言う電場になる。電気理論では、その電極の間の空間には一定の静電界が両電極のプラス、マイナスの『電荷』によって発生すると成っている。決して磁界は存在しないことになっている。実は大学の卒業研究が高電圧のアーク放電に関するものであった。電力回路制御論と電気磁気学理論との理論的統一への道が高電圧工学のロゴウスキー電極間の空間のエネルギー流に導かれて、今日の物理学理論の根源を問うことになった。The electron did not exist in the world. (2020/05/15)。それは1987年春からの、中曽根臨時教育審議会(*)の不気味で、不可解な中での政治と教育の中立性に関わる事件とも言えよう。

静電界中の磁界。初めに結論を示そう。それが下図のロゴウスキー電極間の空間のエネルギー流である。自然界には『電荷』は存在しない。だから、高電圧工学の研究の基礎概念である『電荷』による電極空間の電界は実際はその空間を還流しているエネルギー流の場である。その空間にマグネットを設置して、いわゆる電界強度を強めれば、磁石のマグネットの向きが変化する。現在の科学理論の『パラダイム』では解釈できない現象である。以下の記事の結論を示した。

 

ロゴウスキー電極間の空間に、磁界が存在することを実験で確認した。今になれば、電界と磁界は単独の電磁場とはならないことを当たり前のことと認識している。だから静電場に磁界が在って当然との認識に在る。しかしそれは、現在の電気理論の教科書の解釈には無い。それが「科学パラダイム」と言う現在の科学理論の世界に問う緊急の課題でもあることになる。

『静電界は磁界を伴う』-この実験事実に基づく電磁界の本質-
その実験結果の写真は Friction heat and Compass (2020/03/22) でも説明した。

『静電界は・・』の結果の、そのむすびに、 4. 実験事実に基づいた電磁界への考察と課題 として良くまとめてある事を知った。現在は、そこで指摘した課題を忠実に確認して、全体像として科学理論の矛盾を解明してきたと一つの安堵に居る心地だ。その翻訳を印す。

以下の翻訳文の中に出てくる方程式とその番号(3)、(4)および(5)を示した。これらの式はマックスウエル電磁場方程式を光速度ベクトル c=cj によって表現したものである。エネルギーの伝播方向を座標のyj軸とした。なお、(3)式はポインティングベクトルであるが、この式は瞬時値としては余り意味が無い(1秒間の値と見える)ので、別に取り上げて論じたい。
(翻訳)
4. Consideration of electromagnetic fields based on experimental results and future challenges. It was experimentally confirmed that a magnetic field exists in a constant electric field (electrostatic field) as shown in equation (5).Therefore, it can be said that equations (4)and(5) are basic equations that express the essence of electromagnetic fields. The meaning of equation (4) also includes the concept that there is an electric field around the permanent magnet and the earth, and there is also a flow of electromagnetic energy. Next we discuss the relationship between “charge” and “energy” as an important point discovered from the experimental results. Figure 3.The fact that the directions of b and c are opposite, we must conclude from Equation(3) that the directions of electromagnetic energy flow are opposite in b and c. This means that “positive charges” radiate electromagnetic energy to the surrounding space, and “negative charges” have the property of absorbing energy from the surrounding space. Although the current electromagnetic field theory is constructed based on the concept of Coulomb force acting between electric charges, experimental facts demand the need to regard it is “field proximity force” from the concept of electromagnetic energy flow. I am keenly aware of necessity of revising the laws supporting the current electromagnetic field theory from the electromagnetic energy flow and it’s propagation trajectory.

新世界―科学の要― (2015/03/05) にロゴウスキー電極間の空間のエネルギー流を示した。その意味を冒頭に既に示した。結局その結論が上のむすびで述べた目標であった。

ロゴウスキー電極の負極性の電極間のエネルギー流は、Fig.Energy flow and proximity action force. の図のように流れると一つの結論に到達した。そこにはマグネットの磁極近傍が Axial energy flow の場であるとの解釈が必要だ。その事によってはじめて電磁場の電磁力がエネルギー流間の近接力によるとの解釈に至る。発表当時に予稿論文で述べたとおり、下部電極側は正の電荷として理論は捉えているから、そこからエネルギー流が外向きに流れ出る意味で同じことと言えよう。上部電極は周辺からエネルギーが流れ込む意味で、適切であった。

「課題」アーク放電に関して。図のような静電界中のエネルギー流で解釈する根拠はあくまでも感覚的なものに依るため、論理的な論拠は無い。場合に依れば異なるエネルギー流であるかもしれない。図の解釈では、「アーク放電」の発生原因を説明する論拠の見えないことが欠点である。負電極面から流れ込むエネルギー流が電極空間で竜巻状に回転しながら正電極側から外に流れ出るのかも知れない。そこに軸流によるアーク放電路の発生が見えるかも知れない。なお、負電極近傍空間がエネルギー密度の高い不平等電磁場空間(エネルギーギャップ)が電圧の意味である。

今でも驚嘆に感じることは、イギリスのバートランド・ラッセル博士の『物理概念はエネルギーに集約されるだろう』と言う自然世界への感覚である。博士に拍手。

(*)戦後75年を前にして。思う事様々に。

電気磁気学とエネルギー

Electromagnetism and energy.(2020/5/29).

Energy is the physical quantity of the dimensional joule that actually exists in space.Moreover,it is a basic physical quantity equivalent to the length of space and the seconds of time.Light and electromagnetic energy are typical examples. The electric and magnetic fields of electromagnetism are only technical evaluation concepts of energy that actually exist in space.

Energy wave

エネルギー波を図に表現するのは難しい。必ず3次元空間に分布している光速度の流れであるから。電磁気学はマックスウエルの方程式で解釈されるのが一般的な手法である。それは現代物理学の科学論の基本となっている。しかし、その解釈にはなかなかエネルギーと言う空間に実在する物理量を的確に捉えているとは思えない。変微分方程式によって表現される数式は一般市民が理解するには困難が伴う。ここでは、その方程式の意味を光の空間分布エネルギー波として捉える解釈法によって、簡便に理解できないかと工夫してみたい。何も難しい式が深い理解をするに必要である訳ではないのだ。光はただ空間に分布したエネルギーの流れでしかないのだ。その意味を空間の像として捉えることが先ず必要であろう。何も電界や磁界の意味を知らなくても良いのだ。先ず、エネルギーの流れる空間座標を決めよう。3次元の方向を単位ベクトルijおよびによって確定し、y軸方向へのエネルギー流を取り上げる。この空間体積を持ったエネルギーが光速度coで伝播すると仮定する。その流れに金属導体を置けば、導体に対してエネルギーの流れが、ある電気的信号を生み出す。このエネルギーの流れという意味がなかなか理解されないようだ。それは学校教育で、『電荷』や運動エネルギーの質量が物理学理論の基礎概念となっていて、空間に流れる『エネルギー』と言う物理量が教えられていないところにその原因があると思う。エネルギー その見えざる正体 (2018/11/6) でその意味を述べた。 

マックスウエル電磁方程式

空間を流れるエネルギーを電気磁気学と言う科学理論で解釈している。その方程式が上の二つの偏微分の式である。座標の原点からの位置ベクトル r の点での電磁エネルギーの意味を、電界ベクトル E(r,t) と磁界ベクトル H(r,t) で解釈する手法を完成した。電界も磁界もその内容は基本的に3つの軸成分として解釈する一般化で認識される。それは実際にはあまり意味が無いのだ。電磁エネルギーの光速度伝播に対して考えれば、電界と磁界が直交したそれぞれ一つの成分としてみれば十分である。その意味を図に示す。

図と(1)式の意味。電界も磁界もその概念は基本的に、ファラディーの法則とアンペアの法則が基になっている。電線やコイルの周りの空間に生じる現象を電圧と磁気で統一的にまとめたものと思う。その本質はエネルギーの光速度流であり、その電気技術解釈法として直交した電気と磁気ベクトルで表現した式である。その意味を図にすれば上のように表現できよう。エネルギーがy軸方向に伝播する時、その電界ベクトルをz軸の成分と仮定する。磁界は電界に直交したx軸成分と見做す。このように決めれば、電界の偏微分の回転 rotEは

(3)式の意味になる。電界ベクトルの値がy軸に沿って如何に変化するかの空間微分値になる。ここで、独自の解釈で微分するdyの意味をベクトル値と捉えなければ折角の空間ベクトル計算の意味が無い。∂y=∂yでの分数計算は、規則として定義されていないと思う。文献(1)によって規則を決めて取り扱う。それが (4) 式である。この(4)式により、(3)式のように計算される。

この(3)式は座標上では点線のように表される。電磁場方程式の(1)式のように、右辺の磁界 H(r,t) との関係が何故成り立つか。右辺は時間 t での偏微分である。その意味を次のように捉える。

磁界ベクトルを時間 t で微分する意味は、y座標上のある点で、磁界 H が到来する波動の変化即ち時間微分値を評価することになる。それは時間を光速度ベクトル coj距離 dyj=cojdt 即ち dy=codtに変換したと同等である。この波形は図の rotE(r,t) の点線の波形と同じくなる。電磁場方程式の(1)式で、何故右辺に空間定数の透磁率μoが必要かは少し分かり難い。両辺の次元をとれば、[(J/F)^1/2^/㎡]となり等しい訳だが。その意味には、電界と磁界の間には特性インピーダンス Zo との関係、(5)式がある。(5)式の単位記号で少し混乱がある。特性インピーダンスZo[Ω]は透磁率μo[H/m]の単位[H(ヘンリー)]と誘電率εo[F/m]の単位[F(ファラッド)]から、磁界の記号H[A/m]と混同しやすい未解決の問題がある。 この関係は電気回路で、電圧と電流と特性インピーダンスZo=√(L/C) [Ω]との間の関係とも同じものである。ここでの電圧と電流の意味にもオームの法則での意味と異なり、電気回路を分布定数回路として見たときの、光速度伝播エネルギー波の定在波の意味に関係したものである。直流回路でもその伝播現象はエネルギーの光速度伝播なのである。負荷とのインピーダンス整合問題によって初めて理解できることで、少し自然現象の深みに踏み込む必要が有る。その点だけ指摘して過去の記事にゆだねる。負荷との整合問題はまだ結論に至っていない。しかし昨年、特性インピーダンスとエネルギー伝送特性 (2019/10/6)および分布定数回路空間の世界 (2019/10/14) で電気回路空間の意味が見えてきた。

電磁エネルギーと特性インピーダンスZo。

電磁エネルギー w(r,t) [J/㎥] が光速度 co= 1/√(μo εo) [m/s] で伝播する。そのエネルギー流を電界とか磁界と言う概念で解釈する手法が所謂電気磁気学の理論である。そのエネルギーは上の(6)、(7)式の意味である。空間の特性インピーダンス Zo=√(μo/εo)[Ω]によって電界と磁界の関係が変換できる。

まとめ。電気磁気学と言う理論物理学の一つの分野は自然科学の理論体系を形作る基幹分野となってきた。しかし、今それも所謂『パラダイム』と言う一つの現代社会の仮想的科学論の姿でしかないと言わなければならなくなってしまった。自然は単純で、純粋でしかも見え難い複雑性を秘めたものと言える。電気回路で、懐中電灯の物理現象は電池からの電線で囲まれた線路空間しか電気エネルギーは通らないと感覚的に捉えなければならないのだ。しかし、そこに科学技術論として、『オームの法則』がある。決して電線の中に『電流』も『電子』も流れるような現象は自然の世界にはないことを解ってこそ、その法則の偉大な意味がより深く理解できるものと言える。その意味で、30数年前に勉強させて頂いた有名なマックスウエルの電磁場方程式の意味をエネルギー伝播現象として、その電気概念を紐解いてみた。上手く出来たかどうかは分からない。

文献(1) 金澤 喜平: 力密度 f=rot(S/v)とベクトル算法 日本物理学会講演概要集 第1巻第2号第2分冊。 p.196.(2006.9.24)

 

電気エネルギーの測定法(電流と電力)

はじめに(2020/4/28)
『オームの法則』によって電気回路現象を誰もが容易に理解できる。『オームの法則』は1826年ドイツの物理学者 ゲオルク・オームによって独自に発見、公表された。(実は1781年ヘンリー・キャベンディッシュが発見したが死後数十年後まで知られずにいた、とある。)その優れた技術法則であるが故に『電流』、『電圧』さらに電力の物理的意味を深く考察する必要もなく今日に至った。ちょうど200年少し前の19世紀の初めに『電流』と言う概念が磁気によって電気導体から離れた、空間にその姿を示すという新しい発見が『アンペアの法則』として捉えられた。その『電流』の単位アンペア[A]が電気現象解析の根本技術概念となって、すべての電気量の基本単位系 [MKSA] の基となっている。しかし、ブログの初期の記事に電流は流れず (2010/12/22) を、さらに去年電子は流れず (2019/6/6) を投稿した。それは『電流』と言う技術概念が自然認識の曖昧さを許す科学理論の根幹をなしている現代的社会問題として捉えた論説でもある。科学理論がその特殊な専門家集団の中で、特に分かり難い理数的表現に特化した形式で醸し出されて、一般の市民の科学認識に如何に曖昧な理解の混乱と弊害を及ぼしてきたかを唱えざるを得なかった。世界には決して『電荷』など実在しないのだ。世界の本源に『エネルギー』が存在していることを分かって欲しいからである。

電流とその測定
電気回路の電線路に電流計を繋げば、その電線の中に如何にも『電流』が流れているが如くに針の振れで示すから、決して誰も『電流』を疑わない。電線導体の中を流れる『電流』を自然現象の真理と考えて疑わない。そこには超電導現象という新たな発見もある。電線導体内を流れる『電荷』があるとして、それが自然の真理と捉えられてきた。電流計で計測しているものは何かを知らなければ、『電流』の意味は分からない。

Ampere meter  電流計の内部は右図のようにその基本計測量は可動コイルと言うコイル内に貯蔵された『エネルギー』の量である。そのコイルに流せる『電流』の最大値は大よそ100[mA]程度という事である。測定電流 I[A] のほとんどはコイルと並列に小さな値のシャント抵抗 r [Ω]に流す。だから電流計で測っているものはその抵抗に掛かる僅かな『電圧』分に相当する『エネルギー』分布を並列のコイルに取り入れて、そのコイル貯蔵『エネルギー』の量を磁気的な力によって測定しているのだ。決して『電荷』が電線の中に流れている『電流』と言う概念の「自然に実在する物理量」がある訳ではなく、コイルの電線周りに貯蔵された空間に実在する(光と同じ)『エネルギー』の回転流を計っているのだ。電気回路の電線はその電線で囲まれた空間を電気と言う『エネルギー』が光速度で流れて負荷に『エネルギー』を供給する役割の、その導きの道路の機能なのだ。だから『電流』の逆向きに『電子』が電線導体内を流れる等と言う解釈もハッキリ言わせてもらえば、それは『嘘』の科学論なのだ。光が何処(何もない空間)を通るかを考えれば、光と同じ速度で伝播する電気の『エネルギー』はやはり電線の中など通れる訳が無いと分かる筈だ。そこに大きな科学理論の混乱が現在の哲学的課題としてすべての地球の人に課せられているのだ。電流計で測っているものが何かを知るには、科学技術の中の姿をきちんと理解すること以外に自然の姿を知る方法は無いのだ。その事は高等数学の式では理解できない、例えば『電荷』の存否を数学の式では説明できないことも知らなければならない。

電流計則の式。電流計が何を計量しているかを式でも考えておこう。電流計の内部合成抵抗 rA からコイル電流 IA は(1)式となる。ただし、負荷電流が I[A] である。その電流計のコイル貯蔵『エネルギー』 WA は(2)式となる。ただし2分の1の係数は省略する。さて、この貯蔵『エネルギー』 WA[J] は負荷電力 P[W] と次の関係にある。

この(4)式から、結局コイルの『エネルギー』WA は電流計の内部定数 KA によって、次の(5)式のように負荷を計測していると見做せる。

(5)式の WA は負荷電力 P[W] と負荷抵抗 R[Ω]の比を計量していると見做せることを示している。次元はKA[H]よりP/R [(J/s)/(H/F)^1/2^]=[J/H]である。

電力の測定

電力測定 P=VI(W)       電気回路の『エネルギー』の測定法。その第一歩が電力測定であろう。それは電気の『エネルギー』を如何にも電気商品のごとくに商品として販売するに欠かせない技術である。しかし、『電圧』と『電流』の積では商品としての『エネルギー』量の計量には成らない。しかし乍らまず第一歩として、『電圧』と『電流』の積が何故負荷の電力値 P[W] となるかを図のコイルの貯蔵『エネルギー』 WA[J] とWV[J] からその意味を算定してみよう。電力測定法で、何故『電圧』と『電流』の積が「電力」になるかの分かり易い解説が見えない。科学技術の優れた英知の結晶を、噛み砕いて理解することの大切さを忘れないで欲しい。

コイルの貯蔵『エネルギー』 Wv を電圧 V として計測している。この意味について、先に電気エネルギーの測定法(電圧)に示した。その電圧値は負荷との関係で、『電流』の測定値の意味(4)式から、次の(9)式の意味を計測していることになる。

電流計の並列内部抵抗値 rA に対して負荷抵抗値 R は大きいから、端子電圧に対する電流計の電圧降下は無視できよう。従って、

負荷電力 P[W] は『電圧』 V と『電流』 I の積となる訳の意味である。以上のすべての解析は『オームの法則』一つによって解釈できた訳である。如何に『オームの法則』が簡便で、優れているかには驚嘆せざるを得ない。結局技術概念の『電流』と『電圧』と言う二つの測量技術が電線路空間を光速度で伝播する空間の『エネルギー』を捉えた手法である事に、如何に現代科学技術社会がその恩恵に預かっているかを知らなければならない。その法則の深い意義を知らなければならない。しかし同時に、電線導体の中には『電荷』など流れていない意味も計測技術を通して知らなければならない。

『エネルギー』の測定法。
電力量計として現在『エネルギー』の取引メーターとして使われているものが積算電力計[kWh]メーターである。どこの家庭にも玄関の外に取り付けられている計量器である。使用電気『エネルギー』量に応じて、アラゴの円盤の回転量で計測する優れた計量法である。電気技術の優れた結晶がこの積算電力計であろう。アルミの回転円盤に使用電気『エネルギー』の量に相当する電磁力を働かせて、円盤の回転回数として『エネルギー』の量を計量する『エネルギー』計量法の電気技術利用の優れた計量器具である。『エネルギー』は人がそれを物理量として決して目に捉えることの出来ない自然の姿であり乍ら、それを見事に計量している。科学技術に乾杯。科学技術のその深い意味を捉えることが、その奥に隠れている自然の姿を理解するに欠かせない筈だ。空間に展開する物理量の『エネルギー』の姿を理解することが自然を知るに欠かせないのだ。『質量』とは何か?『電荷』とは何か?『エネルギー』を知らずには、自然の深い真相を知ることのできない自然科学の道である。マックスウエル電磁場方程式が何を表現した式であるか?スマホの電波も電気『エネルギー』の空間への放射と消費である。直流電気回路も電線路の空間を電気『エネルギー』が伝播する現象である。その直流回路の電気『エネルギー』も線路空間を『光速度』で伝播する『エネルギー』の伝播現象である。図のように電源の負側の導線に沿った空間を負荷まで『エネルギー』がほぼ光速度で伝播するのである。電線内を『電子』などが光速度で流れることなど決してできる訳がない。しかも『電子』には『エネルギー』を伝送する機能・能力など、その物理的定義として付与されてはいない。『電子』のエネルギーは原子周回運動の運動エネルギー論で、質量に依存した概念しか仮想的な付与でしか定義されていない筈だ。その運動エネルギーを負荷に届ける、『電子』の往路と帰路の『エネルギー』の増減論は聞かない。『電子論』には『エネルギー』伝送の論理性が全くないのだ。だから『電子』が電気回路で役立つ論理性などどこにも無いのだ。

おわりに
『エネルギー』の姿の一端でも空間に展開する姿を御理解して頂けるかと述べた。自然の本源が『エネルギー』であることを唱えた。

(関連記事)何度も同じような事を述べた。筆者が論じる科学論は所謂科学常識からかけ離れて、しかも高度な数学的記述でないことから「文学論」だと言われもしたが。しかしITネット空間の解説にはこれが科学論かと思える論理矛盾の内容が満ち溢れている現状は間違っているからである。「電子と電気エネルギー」などと検索すると、少し古い記事で「電圧と電子と電気エネルギーの関係は? 」に当たり前と思える質問がある。それに対する回答者の余りにも陳腐で、何も考えていない姿が観え、悲しい。科学常識のひどさが『電子』に現れている。現代物理学理論に『エネルギー』の空間像の認識が無い点が最大の現代的教育の課題となっている。マックスウエル電磁場方程式の解釈に『エネルギー』の認識が欠けている事が原因かもしれない。

技術概念「電流」とその測定 (2018/9/24) 。電子は流れず (2019/6/6) 。電流は流れず (2010/12/22) 。エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系 (2010/12/18) 。また、「電流は流れず」の確信に至った訳を少し述べた、電圧・電流とエネルギーと時空 (2019/8/11) 。

摩擦熱とコンパス (2020/3/22) に『静電界は磁界を伴う』の実験写真を示した。電界と磁界は『エネルギー』から見れば、同じことを知ってほしい。

The magnetic force and energy flow   

『電流』が磁気を発生すると言う。『電流』の流れる回路にコンパスを近付けると、確かにコンパスは力を受けて決まった方向を向く。しかし、『電流』は電線内の『電荷』の流れる時間微分と定義されている。それがアンペア[A]である。同じことが『電子』が電線内を流れると解釈しても、同じように電線近傍の空間に磁気の力が及ぶという。現代物理学理論の論理性として、電線内から離れた線路空間に磁気力を及ぼす原因としての力の真相は何なのかを明確に解説しなければならない筈だ。電線内部の『電荷』の移動が、電線内全体に同一の『電子』密度で分布しながら移動すると、磁気を帯びたコンパスに力を及ぼすことになる訳は何か。『電子』が流れるという論理には、電線導体の負側だけでなく、正側も同じく『電子』が充満して流れる事をも含んでいることになる。『電荷』の分布による『電圧』の原因解釈も、正側電線内のプラス『電荷』と『電子』の負『電荷』との兼ね合いで、どの様にその論理性を解釈できるのか?もう一つ重大な論理矛盾がある。それは力の物理学的解釈では質量に働く以外『慣性』の無い対象に「力」の概念は成り立たない筈だ。力の概念と電気物理 (2019/5/21) 。「クーロン力」の概念適用は根本的に論理に反した『力』の概念矛盾である。さて、『電子』がどの様な力をコンパスの動きに作用力を及ぼすと物理学理論では解釈するのか?筆者がマグネットの近傍空間に観えない『エネルギー』の流れとして確信したその方向は、十数年前にこの図の Energy flow の方向に依って決定した。