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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。

 

電池とエネルギー

電池は『エネルギー』を貯え、便利にその『エネルギー』を使うための科学技術の貴重な成果の製品だ。決して存在しない『電子』などを貯えるものではない。『エネルギー』とはどの様な特性を持った物理的実体か?と考える。見えなくて測れないものだから、その『エネルギー』の動特性を探ることも出来ない。どうすれば、『エネルギー』の空間特性を理解できるかが電池の物理的現象を知る要点であろう。

電池とエネルギーの関係。

電池の内部で『エネルギー』がどの様に貯蔵され、それがどのような条件で電池内部から解放されて電気回路空間に放出されるか。その現象を『電子』なしに『エネルギー』の物理的特性として解釈する必要が有る。電池から送出された『エネルギー』は決して電源に戻る必要はない。負荷に供給されて、それで電池の役割は完了する。『電子』のような概念では、再び電源に戻る無意味な解釈が繰り広げられる。無意味とは何故に負荷を『電子』が通過する必要が有るのか。負荷に『エネルギー』を『電子』がどの様な物理現象として届けることになるのか。何故に『電子』が保有した『エネルギー』を負荷に届けて、その『エネルギー』分だけ欠乏した状態の、異なる『電子』が電源に戻る必要が有るのか。『エネルギー保存則』の意味を忘れないで欲しい。『電子』が負荷を通過しただけで、負荷で『エネルギー』を発生できる訳はない筈だ。無から『エネルギー』は生まれないのだ。電池における電子の役割を問う (2018/05/24) で矛盾の解説に使ったのが下図である。

Fig.1. の図の意味。普通の電池記号と異なる図で表現した。単純に電池の意味を表現すれば、陰極の電極金属で『エネルギー』源のエネルギー貯蔵物質を包み込み、そこから『エネルギー』の無い陰極側に放出され、負側電線路を通して負荷に供給される絵図で捉える。電池の陽極電極および充填物質は所謂電位としては同一にある。充填剤に貯蔵された『エネルギー』はその内部では『エネルギー』として存在している訳ではない。しかし陰極金属体との間には『エネルギーギャップ』が存在する。陰極のエネルギーレベルが充填剤より低い。その接触ギャップで、自動的に充填剤の内部から空間構造変換として『エネルギー』が陰極側に放出される。それは同時に電線路が繋がれているば、その回路空間に対してもそのギャップを埋めるために『エネルギー』が放出される。だから電池内部に見える形で『エネルギー』が貯まっている訳ではない。充填剤の分子的な構造変化として含まれているだけで、結局は質量開放として『エネルギー』の放射になるだけである。

電池の物理現象と科学論。電池の『エネルギー』を観測することも計測することも出来ない。ましてや『電子』の数量を計ることなどもっと困難である。仮想概念で、実在しない物は計れないから。それでは、電池内の『エネルギー』は在るかと言われればそれも無いと言わざるを得ない。『エネルギー』は忍者じゃないが、分子構造の中の質量となって貯えられているとなれば、それは空間分布の『エネルギー』として存在する物にはならないから無いとなる。質量と『エネルギー』に変換し合う物理量は科学論で測り様が無い物だ。自然世界は余りにも純粋過ぎて、物質論の理論の計測手法に馴染まない物かも知れない。分子構造から解放される『エネルギー』が科学論で解明されることを祈る。

関連記事。独楽の心 (2019/01/05) 。熱の物理 (2019/02/07) 。

電圧とエネルギー

観えなくて測れない物理的実在量、それが空間の『エネルギー』。しかし、それは物理学理論の概念にはない。その空間像の象徴が『光』だ。光に因って物は見えてもその光およびその『エネルギー』は観えない。

『エネルギー』とは不思議だ。誰もが言葉にするが、その姿を見る事が出来ない。物理学理論で『エネルギー』と言えば、運動エネルギーと位置エネルギーがその意味になる。その物理学理論の『エネルギー』は何となく見えるような気がするかも知れない。ボールが飛んで行けば、その速度で運動エネルギーを感覚的に理解できたように思う。しかし、その飛ぶボールを見ても、ボールが見えるだけで『エネルギー』などどこにも見えないし測れない。速度と質量から計算式で算定することはできるが。蓄電池は電気エネルギーを蓄えた電気製品だ。しかしその貯えたエネルギーを認識できない。どんな像であるかを理解できない。代わりに『電子』で代用して理論を作り上げる。しかしそこでも『エネルギー』を説明出来ない。

貯蔵電気エネルギー。電気回路で『エネルギー』を貯蔵できる要素はコイルとコンデンサである。しかしその『エネルギー』を、その像を見る事はできない。また、抵抗も『エネルギー』を貯えない訳ではない。抵抗もその構造体の中に『エネルギー』を貯えるから、時間積分で温度が上昇する。だから『エネルギー』を貯えたことには間違いがない。しかし、電気回路にその『エネルギー』を再び戻す働きを持っていないのが抵抗体の不思議な機能である。

『エネルギー』

エネルギー W[J] を青色で描いた。それが電気要素の空間に存在する『エネルギー』である。描いて示したと言っても、それは科学的な検証に耐える証明が出来ない。だから物理学理論の概念には成り得なかったのかも知れない。見ることの出来ない『エネルギー』を、その空間像だと言って描いても、物理学理論の概念として受け入れられる論理性もないし、実測できる保証がないから、絵に描いた「餅」と言われても当然のことである。その意味ではこの空間の『エネルギー』の概念認識が無い物理学理論を非難できないかも知れない。それでもこの空間の『エネルギー』を認識することが自然現象を理解するには欠かせない。何か「電荷」の実在を頭ごなしに押し付けるのと、空間の『エネルギー』を押し付けるのと何処か似ているかも知れない。それは電気回路の現象を多くの観点から、各人が確認しながら納得する以外ないのかも知れない。磁石の周りの空間の『エネルギー』の流れと同じことなんだろう。見えないものを在るとは強制的に押し付けるべきではないから。

電気理論による数式で表せば、

コイルのエネルギー     W =(1/2)L×i^2^ [J]           (1)

コンデンサのエネルギー  W = (1/2)C×v^2^ [J]         (2)

となる。このような数学的表現で纏められる意味はとても大きな科学技術の業績である。いくらコイルの中に『エネルギー』があると力説してみても、その量を計れないことを知れば、(1)式が如何に優れた技術的表式であるかを理解できよう。『電流』と言う技術概念とその測定技術が如何に優れたものであるかを。しかし電線導体の中を『電流』や『電子』などは流れていないことも知らなければならない。そこに科学技術と自然現象の真理との差を知る必要が有るのだ。『電子』での解説者は、そこに『エネルギー』の認識を解説する義務がある事もまた分かってほしい。

電気技術論によってこの数式で算定はできるが、決してコイルやコンデンサの中に蓄えられた『エネルギー』は観えないし、測れない。コイルの空間に『エネルギー』があると理解するためには、電気回路技術の多くの計算を通して、感覚的に認識することが大事だ。学んで、そこから深く理解するには、疑問を抱き分からない不思議に直面して、そこを乗り越えて感覚的に納得できるのだろう。『電流』が流れていないことを理解する迄には、長い難しい道を辿る必要があるかも知れない。

電圧は『エネルギー』の評価技術量。見えない『エネルギー』と電圧の関係を考えてみよう。不平衡の空間の『エネルギーギャップ』を電圧として解釈している。コイルとコンデンサの貯蔵エネルギーに対する、その端子電圧には特徴的な差がある。コイルの中の『エネルギー』量を外から推し量ることはできない。一定値の安定した『エネルギー』の貯蔵状態では、端子電圧は零になり、『エネルギー』の量を推し量れない。一方コンデンサの場合は、その貯蔵の『エネルギー』量は端子電圧に直接現れる。コイルもコンデンサも貯蔵する『エネルギー』に違いがある訳ではない。同じ『エネルギー』を貯蔵するのである。同じ『エネルギー』を貯蔵する、その金属導体によって作られる空間構造が違うだけだ。貯蔵するのは『電荷』でもなければ『磁束』でもない。それは見えない『エネルギー』なのである。

電圧 [V] の次元は [(J/F)^1/2^] 。

電気物理(電圧時間積分とエネルギー) (2019/03/26) との関係での記事となる。

線路定数L[H/m]、 C[F/m]の『エネルギー』と端子電圧の関係を考える。線路容量Cに関わる『エネルギー』分布密度をw[J/m]とする。負荷のコイルとコンデンサの貯蔵エネルギーをW_L[J] W_C[J]とすれば、次の式で表される。

貯蔵『エネルギー』量はそれぞれの要素の端子電圧との関係で決まる。

wL は端子電圧が掛かる限り、その時間積分で増減する。コンデンサのwc は端子電圧そのものが貯蔵エネルギーを表す。この式から、端子電圧は次の図のような意味と解釈できる。

(1) コイルの端子電圧の意味。電線路に繋がれた負荷のインダクタンスLl[H] とする。コイル端子の電圧もその次元は [(J/F)^1/2^] である。コイルが繋がれた電線路は回路定数 C[F/m]の『エネルギー』分布空間である。コイル端子が繋がれた外部条件によってコイルへの『エネルギー』の入出力が決まる。電線路の『エネルギー』がコイル端子の電圧を表している訳である。電圧がコイルに掛かれば、コイルの『エネルギー』は変化し、その微分がまた端子電圧でもある。

(2) コンデンサの端子電圧の意味。容量 Cl[F] のコンデンサ負荷が線路に繋がれている。コンデンサの場合は、線路『エネルギー』分布により、コンデンサとの『エネルギー』は線路定数 L[H/m] を通して行われる。そのコンデンサの端子電圧はコンデンサ自身の保有『エネルギー』量によって直接決まる。コンデンサ内の空間ギャップでの『エネルギー』の空間分布構造が如何なる形態であるかを判断しなければならない。誘電体の分子構造内に貯蔵される訳であろうから、『電荷』否定の上での捉え方としては分子内での軸流以外予想できない。電極の負極側の高密度分布が予想されるが、未だにその誘電体分子構造内の空間エネルギー分布流は不明だ。結局は、磁性体内と誘電体内で同じような軸性エネルギー流になるかも知れない。前にコイルとコンデンサの磁気ループ (2016/07/13) に考え方を示したが、誘電体での微視的分子構造までは考えていなかった。電極間の『エネルギー』不均衡分布が電圧だという解釈との整合性をどう認識するかの課題かもしれない。

何が電池電圧を決めるか?

電池電圧と『エネルギーギャップ』 (2016/05/08) で考察したが、『電子』ではその訳を説明できない筈だ。電池は『エネルギー』の貯蔵器で、『エネルギー』を使っても端子に現れる電圧は常に一定値である。その電圧を決める意味には『電圧』とは何か?の「問」が示されている。『エネルギー』と電圧の関係が問われている筈だ。ここにまとめの意味を含めたい。

電気現象の哲学的課題

1990年(平成2年)に『JHFM』単位系-エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系 (2010/12/18) ーを作った。自然現象は『エネルギー』がその根源をなすとの認識である。その時の課題が真空透磁率μo[h/m]と真空誘電率εo[F/m]の『エネルギー』の伝播現象に果たす空間構造の哲学的解釈であった。

伝播定数γ=√(CL)  [s/m] 。それは『エネルギー』の単位長さを伝播するに要する時間。光速度と同じ物理的意味であるが、光速度の逆数で評価するものでもある。記事、空間定数とエネルギー伝播現象 (2019/09/14) が参考になるでしょう。

電線路空間は線路定数によって統一的にその特性を評価できる。その電線路空間を伝播する『エネルギー』の特性を特徴付けるのは電線路単位長当たりの C[F/m] およびL[H/m] そして伝播定数γ[s/m]である。線路定数は分布定数回路空間の世界 (2019/10/14) に示した。

電線路の電気現象についてまとめるにあたって、今も自然の時空構造をどう解釈すれば良いかと疑問のままであるので、最終的課題として提起しておきたい。

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。

電磁界と空間エネルギー

はじめに(2020/03/24)
電気磁気学はあらゆる電気現象を理解する基礎物理学となっている。しかし、物理学理論では空間に『エネルギー』が質量から独立して存在すると認識していないように思える。電気回路のコイルの中には『エネルギー』が貯えられるというが、その『エネルギー』はどこに在ると物理学では認識するのか。物理学理論では『エネルギー』は何から出来ていると考えるのか。素粒子と『エネルギー』のどちらが世界構成の大本と解釈するのか。

電界と磁界
空間に電界が在るという。空間に磁界が在るという。電界や磁界は電気磁気学での空間に仮想した概念の電気物理学用語の代表である。空間に仮想した概念 (*)であるが、電界や磁界は『エネルギー』との関係を持たないのか?その電界や磁界が空間に在るという意味は何を原因として、どのような空間像を表現したものか。空間がコイル(透磁率μo)とコンデンサ(誘電率εo)から成り立つという解釈を『誰が』最初に唱えたのか、きっと仙人かも知れない。仮想した概念(*)という意味が御理解いただけないかと心配だ。その単位に含まれる、空間距離の[m]は現実に在り、それは実在概念だ。しかし電圧 [V] あるいは電流 [A] は確かに測定器で測れるから、仮想した概念とは誰も認められないのじゃないかとも思える。電圧あるいは電流を計るとは測定器の中で何を計っているのだろうか。その測定する実体はコイル内の空間に在る『エネルギー』じゃないですか?とお尋ねしたい。電圧とか電界あるいは磁界と言う概念の物理量は『何』を原因として発生するのか?その意味を以下で考えてみたい。電圧[V]=[(J/F)^1/2^] 、電流[A]=[(J/H)^1/2^] が空間構造特性値L [H]やC [F] と『エネルギー』 [J] との関係にある。

乾電池で豆電球を点灯する。これも専門用語を使えば電磁界の回路となる。スマホで発信する電子回路の複雑さとは違って、電気回路で言えば、小学校の理科の話にも成る、易しい内容である。しかし、筆者が『電流は流れず』と唱えた基本の考察対象に取り上げた回路でもある。易しいことは難しい事でもある。基礎とか基本という事の中には、とても複雑な意味が隠されている。その事に気付くかどうかは、それぞれ各人のそれ迄の生活環境、受けた教育環境即ちどのような高等教育で専門的な事を修得してきたか、また社会人になって仕事としてどの様な専門的業務に携わってきたか等にも因ろう。その点からいえば、筆者は大学の工学部で、電気工学を4年間学んだだけの所謂「工学士」でしかない。そんな筆者が述べる内容が余りにも学術機関に所属して研究をされている方々の研究業績に比べて稚拙で、乖離度が大きく全く研究と言う基準には遠く及ばない内容であろうとも思う。しかし、それも宿命と思いながら、ここまで日常の生活感覚に科学理論や物理学理論を照らし合わせながら、その論理的矛盾を追求してきた。この電気回路は高度の科学研究の対象とはならないが、どこから考えても、おそらく誰にでも考えることの出来そうな、取り付きやすい回路であろう。そんな易しい電気回路でありながら今現在の電気理論で解釈しようとすれば、余りにも矛盾が大きくて、将来の子供達への教育内容としては耐えられないと断ぜざるを得ないのだ。そんな思いから、これからこの回路を通して問い掛けようとする内容はとても気難しいことかも知れない。特に電気理論に関する教育に携わっておられる方々、あるいは電気回路に関する教科書をお書きになられておられる方々にとってはとても反感を覚えるような内容であるかも知れない。そんな何も得るものが無くても書かずにいられない切羽詰まった状況であることをご理解頂きたい。ただ一言付け加えておきたい。それは電気理論として取り扱われる技術理論が悪いという訳ではないのだ。技術法則は電気現象の技術的取り扱いにはとても簡便で、優れた歴史的文化である。その技術的解釈理論が長い科学の伝統を作りながら、今日の科学技術社会を発展させてきたのだ。そんな社会的文化でもある、技術概念を簡単に捨てる訳にはいかないのも当然である。電気技術者として過去に少しは関わった筆者もその辺の意味を十分理解した上での訴えなのである。何が良くない点かが分かり難いとも思う。それは科学技術理論と自然世界の『真相』とは異なるという事を理解してほしいという点である。誠に言い難いことで恐縮なのだが、自然の『真相』は易しくて、きわめて純粋であるという事に尽きるのだ。だから、自然科学理論として社会を導いてきた、その技術法則を自然界の物理的「真理」と捉える考え方、その如何にも権威的な教育の姿勢が間違っているという事である。筆者が我慢できない解説、それは電気回路の電線内を『電子』が『電流』の逆向きに流れるという非論理的な伝統科学論に支配されている事である。『電子』が通ると解釈すると、その回路の『エネルギー』伝送機能と電磁現象の光速度流が見えない科学論になるから。今も手元にある、「科学革命の構造」トーマス・クーン著、中山茂訳 (みすず書房)が。その『パラダイム』に関わる科学理論と自然現象について論じたいと思う。難しい学術論の形式的内容にはならないから、誰でも考えられる内容で論じられると思う。それはどこの家にもある生活用品の懐中電灯の話でしかないから。しかも数式を極力使わないで、日常用語で述べたいと思う。

空間エネルギーと『エネルギー保存則』

『パラダイム』と言う用語の定義で、トーマス・クーン氏も一度撤回せざるを得ない程激しい攻撃にさらされたとも言われている。その用語の持つ意味本来の意味と更に通常科学などの用語の新しい捉え方など合わせて、その論説の優れた先見性も中々受け入れられ難かったからかと思う。『パラダイム』の意味も新たな捉え方で筆者には適切な用語と理解したい。そう訳者あとがきをみて思った。また、英和辞典にも、模範、典型の標準的意味と別に、パラダイム:⦅思想・科学などを規定する方法論・体系⦆として適語が示されている。

空間エネルギー

この言葉・用語が受け入れられ難いのだろう。その理由は、『電流』あるいは『電子』『電荷』など電気理論の根幹である概念と対立する物理概念・量であるから。検索すれば何か精神論と関係付けられた意味が載っている。そのような意味も考えれば必ずしも否定しかねる面もある。人が言葉も文字もなかった、人類生誕の時代も社会的意思の疎通が成された訳であれば、それぞれの思いは精神的な意味のつながりで可能であったとしか思えないから。生きとし生けるすべてがその心のつながりの中に居るのかも知れない。しかしここでは、この『空間エネルギー』と言う筆者が唱える用語の意味は全く物理現象として身の周りの自然界に溢れている物理量を指すのである。その代表が光である。また配電線路が有れば、それは電気エネルギーである『空間エネルギー』の流れの設備であると見える。『空間エネルギー』は質量から独立した『エネルギー』が空間に存在するという事を述べるものである。それは物理量として自然の世界、空間に実在するものを対象に観ているのである。しかし、それは測定することも出来ず、見ることも出来ないものであるところに、認識し難さの大きな壁があるのかも知れない。光の1波長のエネルギー分布を観測する事など夢の世界の話であるから。『空間エネルギー』が理解されにくい最大の原因は『電流』、『電荷』あるいは『磁束』などの基本物理量・概念をすべて飲みつくしてしまう概念・意味を持っているからであろう。だから考えてみれば、空恐ろしいことに挑戦してきたのかと思わざるを得ない。『禪』とは何か?

掲げた懐中電灯の回路で、乾電池から豆電球までの間は導線で繋がれている。その部分を図にエネルギー伝送路とした。電線が何の役割を持っているか。電池は何を貯えたものか。豆電球は何を光に変える電気製品か。光とは何か?豆電球が熱くなるのは何故か。こんな<問答>は、誰でも日頃の日常生活で不図思う疑問に関わるものではなかろうか。このような事を、科学理論・物理学理論の諸概念と突き合わせながら、考えてみよう。

〈第1問〉電池は何を貯える製品ですか。

『電子』ですか?『エネルギー』ですか?『電流』ではありませんね!多数決で決める訳にもいきません。電気技術者は、物理学者は何と答えられるだろうか。

〈第2問〉豆電球は何を光に変える製品ですか。

『電子』ですか?『エネルギー』ですか?

〈第3問〉電線で囲まれた空間の物理的意味は何ですか。

何の意味もないのですか?

〈第4問〉電球から放射される光や熱はどの様な物理量ですか。

『エネルギー』ではないですか?

〈第5問〉『エネルギー保存則』の『エネルギー』とはどの様な物理量ですか。

降り注ぐ太陽光線は保存されますか?その前に太陽光線が『エネルギー』と思いますかと聞かなければなりませんね。トマトもキュウリも太陽光線の『エネルギー』、それを栄養の一つとして食べて成長していると考えたら間違いですか?それを『エネルギー保存則』の意味と考えられませんか?『質量』と『エネルギー』は等価という意味に繋がりませんか?

懐中電灯回路のエネルギー論

上に挙げた幾つかの〈問題〉は電気回路の中に、『空間エネルギー』の存在を理解するか、認識するかの人の意識の問題に掛かっている。ここに在るのは『パラダイム』に関わる問題なのである。その専門性が故に細分化され自然科学と言う広い自然界を包含した学問の哲学性が衰退し、どんどん知的魅力に欠けつつあるように思われる。しかし、日常生活に直結した科学技術の分野の先鋭化は益々経済的競争に資する形で進んでいる。そこに自然の真理と科学技術理論との関わりの乖離が進んだ。理論の矛盾が遠くに霞んでいるように観える。その意味を懐中電灯の中に示したい。残された『パラダイム』の問題として。

回路電磁空間。

乾電池と豆電球を導線で結べば、電球に電圧V[V]が掛かり、電流I[A]が流れる。これが電気回路解釈の基本法則で、「オームの法則」である。この法則から見れば、導線が2本で十分電気現象を理解できる。豆電球の抵抗値が何Ωと分かればすべて解決する。電線で囲まれた空間など殆ど意味がない。殆どの人はその空間など意識しなかろう。電池のマイナス側から『電子』が流れ、電池のプラス側に戻れば、それで科学理論の原理は全て解ったと言っても良い科学論の『パラダイム』に在る。1864年、有名なマックスウエルの電磁場方程式が登場した。電磁波が空間を伝播するという事をその方程式に表現してまとめた。電気信号が空気中を伝わるという科学的発見の理論方程式である。後にヘルツと言う人が無線通信(空気中の電気信号の伝播)の実験に成功した。その後の100年に亘って、電気送電網が生活に灯りをともし、近代生活を支えて来た。今は「携帯通信機」が誰もの生活必需品になっている。情報革命ともいえる時代を生きている。光も電磁波の一種であるという。光の速度は「特殊相対性理論」でとても理解できない数学的記述で、どこで測っても、例えば地球の速度との相対速度にも無関係に『光速度一定』の規範に在ると説かれる。レーマーの光速度測定実験に照らしてその確かさを信じれば、筆者には「特殊相対性理論」の唱える意味がさっぱり理解できない。筆者にはPCや通信機の回路の意味さえ何も知り得ない電子回路の通信技術全盛時代だが。みんな空間を伝播する電気信号理論の筈だ。そんな科学技術が先導する社会に生きて、懐中電灯回路の導線で囲まれた「空間」の電気磁気学的意味を紐解いてみようと思う。光も電波も、それを伝える媒体(昔はエーテルが伝える媒体と考えたこともあった)が何もない真空空間を伝播するというのだ。その電気的な現象が有るのに、何故懐中電灯の回路で、電線で囲まれた空間に電気的意味が無いと考えるのか?電線路空間には本当は電界と磁界と言う電気磁気学の専門用語の空間概念があるという事になっている。しかしオームの法則ではそんな意味は全く考えない。技術法則は誰でもが理解し易く出来ている。しかし少しでも専門性がその威厳を持って、介入してくるととても複雑な理論に化けるのである。オームの法則が電気現象の自然世界の真理を唱えたものかと言えば、それは必ずしも正しくはない。ここで「間違い」と言う言葉を使うことがとても複雑な心理的負担を感じるのだ。「間違い」ならオームの法則は教科書から消して良いかとなるが、それは困るし、正しくないと言わなければならない。しかし「間違い」とそう言わざるを得ないその訳は、本当は電線の中を『電流』が流れられないから。また『電子』が『電流』の代わりに電線の中を逆向きに流れると解説されるが、それも「間違い」である。自然の『真理』と社会的技術概念との間にはとても曖昧で、複雑な意味が隠されているのだ。何故マックスウエルが空間を電波が伝播すると唱えたのか。懐中電灯の電気と電波の電気は違うのだろうか?空間に『電界』と『磁界』があると電気磁気学理論では解説される。しかし、懐中電灯の回路では電線の間の空間に電磁界が在るとは考えなくても、オームの法則だけで立派な電気技術者として社会に貢献できる。それで電気回路の専門家として、いわゆる科学理論の『パラダイム』の専門家集団の一員として立派に責任を果たせる。しかし自然世界の『真理』として『電子(電流の逆向き)』を流さなければならない訳・理由は無い筈だ。金属導体は本質的に『エネルギー』を反射する。『エネルギー』伝播に何の障害にもならない空間がマックスウエルが唱えたように有るのに、その空間を通らない電気現象あるいは『エネルギー』などない筈だ。導線で囲まれた、導かれる空間にこそ電気現象の本質があることを考えて欲しい。光と同じ電気『エネルギー』は空間しか光速度で伝播できないことを理解してほしい。この科学的認識の前提には、光の空間エネルギー分布縦波認識が必要ではあるが、それは別に学習すればよいだろう。振動数では光の1波長の空間のエネルギー分布波は理解できないから。

電圧と空間と電界

マックスウエルが唱えた方程式には、電界と磁界と言う理論の根幹をなす概念がある。電気現象は空間の中に存在するという意味である。右の図のような電池の配置で空間の電気的意味を考えてみよう。乾電池1個なら電圧は1.5ボルトである。その乾電池を2つ繋げばその電圧は2倍の3ボルトとなる。乾電池も電気にはプラスとマイナスがある。このプラスとマイナスという意味も中々意味深な概念で、哲学的論題になる。世界に「マイナス」と言う物の存在は無いのだ。電気だけの特殊な、不思議な世界観のもたらした概念なのだが。身の周りに「マイナス」の物を探してごらんなさい。見つかりますか?「プラス」も「マイナス」も原子論の世界で生れた概念なのでしょう。本筋の論議に戻りましょう。電池の端子から電線を張りましょう。その電線の間には、それぞれ電池の電圧が何処の電線にもかかります。その電線から別の電線を枝分かれして図のように空間に或るギャップを開けて配線した。その間の間隔は A も B も同じとする。今電線路には何も電球などの負荷は繋がっていない。さて何を問題とするか。それは空間が電気的に何か意味を持っているかどうかを考えて欲しいのだ。『電界』と言う概念について。図の AとB で空間の電気的状態が違うことを知ってほしいのだ。A とB の『電界』が違うのだ。と言う事は『空間』がオームの法則では理解できない意味を持っているという事になる。そこに電気現象の本質が隠されているという事だ。世界は空間で出来ている。空気と水の空間で、音も光もその速度が違う。今、A とB のギャップを1㎝とする。Bの方の電池の電圧をどんどん高くしてみよう。とても高い1万ボルトの電圧としてみる。するとそのギャップの空間が何か異常な空気になるかも知れない。 近くの田圃の上に送電線が通っている。多くの電気エネルギーを送る電気設備だ。電線の間が大きく離れている。何故そんなに間隔を開けなければならないのかと理由を考えるだろう。その空間の広がりが必要だからとしか考えられない。電気を送るには無駄と思えるような空間が必要なんだ。『電流』、『電子』が電線の中を流れるだけで、電気を送れるならそんな空間はいらない筈だ。空間が電気現象、電気エネルギーの伝送に必要だからと理解できよう。もう一つ空間の『電界』の意味を取り上げてみよう。

空間と『エネルギー』。電池の導線にもう一つコンデンサを繋いでみよう。コンデンサと言う要素の構造は金属導線を平板に広げた2枚を向かい合わせた形態である。その平板面積に比例してコンデンサの容量 C[F] が決まる。コンデンサ容量が大きいという事は、その金属平板の間の空間により大きな『エネルギー』を貯蔵できることになる。その物理的意味は単に金属の間の空間には『エネルギー』が存在するという事でしかない。細い電線でも2本あればどんなに少なかろうと、そこには『エネルギー』が在るのだと言える。『電荷』の存在と言う基本認識の『パラダイム』に属する科学論に賛同される方も、コンデンサの空間内に『エネルギー』が貯まるという意味を理解できると思うのだが、どの様な『エネルギー像』で認識なされるのかとお尋ねしたい。当然誘電体の分極と言う『電荷』概念に基づく解釈をなさるのではないかと思う。しかし、たとえ誘電体の無い真空空間でも『エネルギー』は貯まる筈と考える。それは光が電気の『エネルギー』と同じ物理量であることからの認識になる。

『電界』と『磁界』

『電界』と『磁界』は本来空間に定義された概念である。そこで、物理学理論ではその空間にある『電界』や『磁界』は何の為に必要と考えるのか。空間に張られた電線の間に電圧が在るという事は、その電線の間隔の距離で電圧を割った値が『電界』の値で、E[V/m]と言う単位の意味である。空間に電圧が掛かっている意味だ。電線の中に『電子』を加速するための電圧が掛かっている意味はない。次に『磁界』とは何か。懐中電灯の二本の電線を広げて空間を作り、その間に磁石のコンパスを近付けると向きが変り、その空間に何かが在ると考えられる。それが電線に流れる『電流』を原因として空間に生じる磁気の意味と考える。電線で囲まれた空間に何も無かったら、コンパスが力を受ける理由が無い。空間に磁気があることは確かだ。その回路の電線を広く広げて空間を大きくする。きっとコンパスの作用する動きの強さが空間の場所によって違うはずだ。コンパスが力を受ける強さで、そこに磁界が在ると考えて良かろう。『磁界』もその大きさを電流の単位アンペア[A]で、 H[A/m]という距離との比率で評価する。電線の『電流』からの距離で評価する。その『電流』が流れないと言いながらの『磁界』であるから、筆者の理屈は矛盾していると言われそうだ。それが『アンペアの法則』と言う電気磁気学の基礎理論の意味の話になる。誰も『アンペアの法則』が間違っている等とは言わないだろう。それを『電流は流れず』という事で、『電流』の概念を否定した解釈を1987年の秋、電気学会の電磁界理論研究会で発表した。『電流』を否定したら、電気理論は使えない『パラダイム』からの離脱と言える状況になる。電気の研究者などと言っていられないことで、職業の場を失う。それは空間の『エネルギー』の実在を認識するかどうかに関わる電磁界理論の根幹を問う課題となる。現在の電気理論を、物理学概念を科学論展開時の論理的論拠として考える専門家は決して『電荷』や『電子』を否定しない筈だ。否定したら『パラダイム』からの離脱を意味するから。『電子』が『電流』の逆向きに電線内を流れるという『パラダイム』の現代科学者集団の専門性に則っているから、『電流』や『電荷』を決して否定はしない。そこにその科学理論が現代社会の規範となって、一般市民も信奉する科学常識に支配された世界となっている。そこに『パラダイム変革』の難しさがあるのだろう。

電球の機能と放射エネルギー

電球の物理現象は何だろうか。電線路空間に『電界』と『磁界』があることは理解されても、だからと言ってそれがどれだけの価値があるのかと反論され、理解されないかも知れない。さて、豆電球は灯りをともす。灯りは空間に光を放射することで得られる。光は電波と同じ電気の姿ともいえる。光は電波と波長が違うだけの空間に放射される『空間エネルギー』である。空間を飛び、伝播する電気の『エネルギー』である。電球はどんな秘術を尽くして光を作るのだろうか。簡単に理解できない魔術的物理現象を使って豆電球のフィラメントを『電子』が通過すると、置き土産に光の『エネルギー』を放射して、しかも『電子』は何も失わず『エネルギー保存則』の原理も無視して世間的に通用する科学常識と言う理論となり得るのだろうか。フィラメントと言う抵抗体のコイル内を『電子』が通過すると、どの様な機能で光の『エネルギー』を放射するのかを解説できなければ、科学の論理性が疑われる。『電子』が『エネルギー』に対してどの様な機能を発揮するのかが説明されていないのだ。『電子』論は『エネルギー』を全く無視しても、その解釈が科学論として通用している。其処が不可解なのだ。

電池の機能

乾電池も図のようなプラスとマイナスの意味を持たせた長短の二本線の記号で表示する。誰もがその記号で電池を理解するだろう。記号からプラスとマイナスの『電荷』による電圧が掛かっている意味の機能素子と思うのではないか。しかし、電池に求める技術的機能は『エネルギー』の貯蔵機能ではないのか。『電子』の貯蔵器とは思わないだろう。Energy Cell とした。「+」と「-」の記号は少しでも電気を学習すると、全く違和感もなく当たり前の科学常識として意識化される。考えてみればプラス、マイナスと言う表現で定義する物がこの世界に存在すると何故考えるのかその訳が理解できない。何故「+」と「-」を必要としたかはクーロンの法則で代表されるような、物の結合力を託す理論構築のための概念が必要だったからであろう。それならそのような『電荷』が空間で引合う結合力を発揮するには、単に「+」と「-」と言うだけで、その空間像がどのように違うから引合う力が生じる現象かを、その空間的理由を論理的に示さなければならない筈だ。日本の「この紋所が見えないか!」と同じ科学的暗黙の威圧だけで納得させているようだ。「+」と「-」に空間的にどのような構造的違いがあるというのか。その違いが無ければ互いに作用し合うという理屈は成り立たない。論理性が理論の根本からないまま、科学常識として暗黙の科学論となってしまった。なぜ電池が「+」と「-」の『電荷』を貯蔵することでその役割を果たせるとなるのか。あくまでも欲しいのは『エネルギー』の筈だ。『電子』と『+イオン』で『エネルギー』がどの空間に、どの様に貯蔵されると考えるのか。『エネルギー』は空間に実在する物理量なのである。『電子』や『電荷』ではコンデンサやコイルの空間に或る『エネルギー』の代わりには成り得ないことを認識すべきではないかと思う。『電荷』を否定した立ち位置で想定できることは、化学材料物質の構造形態の変化として、空間に『エネルギー』が貯蔵されるものなのであろう。

 

まとめ

『空間エネルギー』と『電荷』の間の関りをどう解きほぐすかの社会哲学的課題であるかもしれない。自然世界の『神髄』と自然科学理論の論旨との関係を自覚したうえで、教育に誤った権威的態度を取らないことを目指すべきと思う。この記事を考えながら、『Electrons』の紋所と科学理論 (2020/4/7) と電気回路要素の『エネルギー』処理機能 の関連記事となった。

マグネット 摩訶不思議-ハルバッハ配列-

はじめに(2020/02/21) 久しぶりに楽しい時間を過ごさせて頂いた。ものづくり・科学フェアinアオーレ長岡、2月1日。普段は全く科学や伝統技術に触れる機会がなく、ひきこもりのブログ投稿で過ごす。今回の催しに参加し、科学の雰囲気に触れられ、話ができる満足を楽しませて頂いた。その科学技術で、少し勝手に質問等させて頂いた展示部門に「ハルバッハ磁場」がある。お相手頂いた方(学生さん?)にはありがとう。久しぶりに『磁気』の専門的な部門の不思議を味わった。展示された先生には感謝です。改めて、今回もう一度「磁力」の物理的現象の意味を考えてみたくなった。自然現象、物理現象の解釈を学問とした物理学は、ややもすると簡便な伝統的解釈手法に拘泥したまま、その理論に不思議とか疑問とかを抱かなくなっている。所謂「考えない」伝統論が支配してしまった。筆者が取り上げる内容は、それらの伝統論の矛盾を拾い出し、新たな市民が理解できる易しい科学論(数式を使わない日常用語あるいは空間図形表現で解説する科学論)を目指すため、専門家の皆さんからは顰蹙を買う内容となろう。教科書批判ともなる訳だからなお更ややこしいことになる。ご容赦の程お願い仕ります。今日ダッシュボードに、関連した古い記事が読まれて、コイルの電圧時間積分と角周波数 (2016/03/21) が挙がっていた。この記事を書きながら、もう一度磁束の意味を、その概念に自然現象としての物理的な論理性が有るかどうかと自身で確認した。それが電流と磁気と空間の哲学 (2020/02/24) である。

摩訶不思議(2020/02/20) 非常に不思議だという意味で魔訶が付く。解けそうもない永遠の謎に思えるのがマグネットの磁気エネルギーの保存原理だ。電気器具の電池が切れるような、マグネットのエネルギーが切れることに遭遇する経験がない。何故マグネットは幾ら力によってエネルギー消費の物理現象を辿ってもマグネットの機能がなくなることが無いのか。エネルギーの永久保存則など有るのだろうか。それは地球が自転・公転する原理が理解できないと同じ位不思議だ。

マグネット 

今回会場で頂いたマグネットの寸法と形状を示す。

「ハルバッハ配列」と言うマグネットの利用技術が有ることを教えて頂いた。リニアモーターカーの浮揚磁石として使われるとか?のお話であった。

そのマグネットを磁気力で、側面接合させたら、図のようにズレて接合した。このマグネットの磁極は赤丸のN極と青色のS極が図のような側面にある。図のように接合面がズレた珍しい向きになっている。図のように半分ずれた位置で安定する。その位置で安定する訳は何故か?マグネットの一つの現象の表れである。その意味をどう解釈するかが物理学の意味であろう。磁束や磁界の物理学概念でどう解釈するかである。このズレを無理に押し付けて平板型の一体マグネット構造にすると、下側のマグネット面が NSSSN の磁気の並びの磁場構造面となり、この下側面が「ハルバッハ配列磁場」となる。上面は NSNSN の磁気配列で、「ハルバッハ」とは無関係だ。「ハルバッハ配列磁場」は強烈な磁場面となる。何故そのような磁場となるのか?「磁束」概念で解釈できるのかを論じてみたい。それは電気磁気学の全貌に関わる内容になる筈だ。『静電界は磁界を伴う』の実験結果が示した『磁針・マグネット』の静電界中の磁界検出の意味の確認ともなるから。

マグネットが呈する現象は電気磁気学の神髄を秘めている。マグネットのことが理解できれば、それは電気磁気学の学理を習得したと見做してもよかろう。こう断言する訳をここで論じてみようというのである。それは『電荷』と同じく『磁荷』及び『磁束』も自然世界にはないという基本的立脚点に立っている事からの断言でもある。電気磁気学という科学技術に欠かせない科学論の根幹が、今こそその深い基本で検証されなければならないところにある。

磁気・磁束とは
マグネットの解釈では、必ず磁束や磁界が専門用語として使われる。磁気、磁束の関係した科学技術の代表は変圧器であろう。二つのコイルを鉄心と言う構造体に巻き付けると、その巻き数の比率に従って、二つのコイルの電圧が決まる。その電圧は鉄心内の磁束によって決まる。ファラディーの法則の式には励磁電流など一つもない。電圧と磁束の関係しかないのだ。励磁電流など流れなくても、理想の変圧器は立派に動作する。鉄心の物理的特性に依るのであり、励磁電流など不要なのだ。理科教育・物理学はもっと技術の意味を学習し、考えてほしい。旧い伝統踏襲の「考えない教育」から脱却してほしい。教える方も法則や基礎概念のその意味に疑問を抱く程深く認識し、自己問答をしてほしい。と『磁束』の概念が電圧時間積分によると言いながら、その『磁束』はこの自然世界にある訳ではなく、それも科学技術の一つの解釈概念でしかないと言わなければならない切ない論法になる。

磁力、その解説。
マグネット間には「磁気のクーロン力」と言う式で表される力があると解説される。式は磁束φでなく、存在しない磁荷+m 、-m[Wb] で表現されている。その理論式に論理性があるとは考えられないにも拘わらず、見過ごされている。実際にはマグネットの磁力の特徴、意味を図解では磁束φで表現される。そこには残念ながら、磁束で磁力を納得させる説得力は見当たらないからであろう。

上のマグネット接合の訳。それはマグネットがエネルギー流による現象だから。

図3.エネルギー流と反発力 図のような配置にマグネットを持ってくると、平板状に並ばず、図のようにズレる。それはマグネット間に力が働くからである。マグネットの不思議な磁力は磁極近傍の空間のエネルギー流の為せる業であるからだ。エネルギー流が接合面で、逆流によって反発の近接作用力となるからである。実験的な証明ができない解釈である。空間に実在する『エネルギー流』など計測できない物理量であるから。それは光と同じものである。

ハルバッハ配列の磁場 図3.のマグネットのズレを強く押して、平板状にすると磁極がNSSSNのハルバッハ配列面が得られる。裏面は磁極配列がNSNSNとなり、その面はハルバッハ配列ではない。その磁場の磁力は強くはない。

図4.ハルバッハ磁場 とても強力な磁場が発生する。その訳は何故か?(1)磁束描像 と(2)エネルギー流描像で表した。磁束描像では特に磁力が強くなる物理的意味が説明できない。磁力発生原理になる磁束量の式が無いから。

(2)エネルギー流描像 中心の広いS極面のエネルギー流が存在し、その側面配列のS磁極とのエネルギー流が強め合う方向に合流すると解釈できる。残念ながら、この解釈も空間エネルギー流を観測する実験的手法を筆者は知らない。表式化するだけの科学的根拠を示せない。

磁場の砂鉄模様

図5.砂鉄模様。磁場の様子は砂鉄では観測できる。マグネットの上に紙を載せ、そこに砂鉄を振りかけた。(1)はハルバッハ配列面の模様。(2)はその裏面の模様。

(1)ハルバッハ面。砂鉄模様からは特別磁場が強いという様子が見える訳ではない。ただ、全体が一つの磁極の磁場模様を呈していると見える。(2)ハルバッハの裏面模様。明らかに磁気N極とS極の間に断裂が有る。

図6.ハルバッハ配列砂鉄模様。もう一度砂鉄量を増やして、模様を取った。指で砂鉄表面を均した結果の模様である。この模様は磁極S面の大きな磁場模様で、周辺部に強い磁気が集中した広い磁場の様子を呈しているとみられる。単独の磁極の磁場ではこのような広い模様は得にくいと思う。

むすび。

側面に張り付けたマグネットの磁気エネルギー流も中心の磁場と同じ方向の流れとして、それを強める方向に流れる。図6.はその結果によって生まれた磁場模様と解釈する。それが「ハルバッハ配列」の磁気の強度をなす原因と解釈する。

 f = rot S/c [N/㎥] の磁気力の意味について。模様の外周部が広く一様であるので、磁気周辺部におけるエネルギー流の急峻な分布模様とは異なる。しかし、中心のS極周辺部ではゼロから急峻なエネルギー分布量に立ち上がっているとも観られることから、そこにおいて表式の意味が成り立つと解釈することは出来よう。

【附】ハルバッハ裏面砂鉄模様。

①の模様は砂鉄を撫でた結果のもので、砂鉄の分布が4列にハッキリと分かれている。中心の2列は磁極Nの幅の模様である。また、両端の2列は側面のSN磁極の幅に模様である。中心の磁場Nと隣の磁極Sの間は磁束表現で捉えれば、砂鉄模様に断裂が発生する理由はない筈で、ここにも磁束評価解釈の矛盾が表されていると考える。電磁界解釈の基本理論で、磁場はNS極間では磁束を通して強くつながる筈である。この付図のような磁極間に断裂は発生しない筈だ。どのように解釈すべきか付議したい。

参考記事。磁界・磁気概念の本質 (2010/11/16) 。から始まって、既に9年が過ぎた。新世界―科学の要ー (2015/03/05) に磁界とか電界とかの概念も一つの『エネルギー流』の下で理解したいとしてまとめた。

周期関数(方形波)

(2020/02/04)追記。何故自分のブログを印刷すると「購読ブログ」となるのか?

不思議にも欲しかった関数が見つかった。

 

偶然にも円ベクトルを描いているとき、不図閃いた。関数電卓で計算してみたら+1と-1の2値が得られた。波形の極性切り替わり時、ωt= nπ では三角関数の性質上式の分母、分子が必ず『ゼロ』となり、計算不能となる。本来方形波もその場合は値が決まらない筈であり、不能が正しいのであるが。そこで周期角周波数ωに工夫をして、0.003を加えた。しかし、原点のt=0では計算不可能となる。なお周波数と波形の関係は正弦波の場合とは周期が2倍の違いとなる。また、ωの 0.003 の分で、ωt= (π-0.003)t= nπ時には計算不能となる。ここでは、ωt= ωt/10 と置いて計算した。

周期関数(科学技術と自然と数学)(2016/01/13)で欲しかった関数である。

水の電気分解

はじめに(2019/11/19)

有名な本「ロウソクの科学」を読んだ(まだ最初の何章かであるが)。なかなか理解するのに基礎知識がなく、困難である。年代は1860年ごろの出版書である。現代科学論と比べれば相当昔の話の内容である。しかし乍ら、有名なファラディーの公開実験講座の講演記録で、とても内容は高度なものに思える。実験器具や化学薬品など基礎的なものでありながら、深い内容として筆者には有意義な著書になる。その中に水の電気分解の実験記事がある。J.J.トムソンの陰極線より前の話である。『電子』概念がない頃の実験である。それでも直流電源は立派に働いていた。その本を読んで、水の電気分解がよく理解できない筆者自身を自覚させて頂いた意味でも貴重な内容の本である。電気分解は化学の話になるかと思うが、電気との関係で『電子』の意味を考える話としてとても重要な物理的内容を含んでいると思う。今取り上げている、電池とイオン化傾向そして『エネルギー』との関係の物理現象が物理学基礎理論として大変意味が有ると考える。そんな筆者の理解できない内容を自己問答として取り上げてみる。その取り上げる内容が科学知識としては本当に基礎的な知識であるから、専門家がどのように評価されるかにも関心がある。読者にも参考になろうから、ご指導をコメント頂ければ有り難い。理科教育の科学常識に関わる意味であり、特に『電子』概念の論理性の問題でもある。なお時代として「ロウソクの科学」ではまだ電子論は採られていない。

水の電気分解

現象と意味。 水の電気分解の現象を考えると、とても難しいことに思える。幾つかの場合に分けて、分からない意味をハッキリさせてみたい。自分の分からない事を明らかにするには、その分からないという意味の内容を明確に認識し、自覚することが先ず大事である。そこから研究の第一歩が始まり、より深い理解に辿り着く可能性が見えてくるかもしれない。と考える。

水とは何か?

検索すれば簡単に解説がされているが、筆者にはとても理解できない事ばかりである。水の分子一つを取り上げても、何故酸素と水素が結合して命の水に形態変化をするのか。朝露を観れば、踏み付ける草の命に愛おしさを覚える。目立たない草が水を作っているように見えるから。コンクリートの中に居ては決して見えない世界であるかも知れない。天然の精水 (2012/06/14) 。化学結合論として H2O を学習しても、何故そのように結合するかの原理は原子物理学の解明するべき内容である。自然界に存在しない電子で結合論を論じても、一般の市民が真に納得するだけの解説にならないだろうと思う(?)。クーロンの法則を電荷論の基礎に据えながら、負の電荷同士の電子が手を繋ぎあう共有結合等と言う結合力を認める合理的解釈が生まれる訳などどこにもない。そんな基本的矛盾を抱えたまま、科学コミュニケーションなど採れる訳がないと思うが如何でしょうか。

実験回路

回路①。 基本的な実験回路は①の場合である。まず図の直流電源の電池をエネルギー源としてみた時、エネルギーは電池の負極から電線近傍を伝播して、負荷対象に届く。この場合の負荷対象は水で、 H2O という分子の集合空間である。今の教科書の解釈は電子で説明されている。筆者は、その『電子』が実在するなどとは考えられない。「ロウソクの科学」でも未だ電子での解釈はない。電気のプラスとマイナスという説明もなされてはいないで、電気の力という言い方である。水に電圧を掛けると、酸素と水素に電気分解されるという実験的事実である。その実験的水の電気分解はさて、この①の場合で、筆者はここでも電池から『エネルギー』E[J]が水分子一つ H2O に供給されると解釈する。その時水の空間が負荷インピーダンスとなる。水分子に『エネルギー』がどのように印加されるかという問答になる。水中に?マークを印した。しかし、その水の空間にどのように電圧が印加されると考えればよいか良く分からない。分子式で書き表せば、次のようになろう。電源からの供給エネルギーをE[J]とする。なお、水の電気分解と水素燃料電池は丁度逆の化学反応になっている。ついでに、燃料電池の場合も併せて示す。

電気分解    H2O + E[J](電気エネルギー) =(1/2) O2 + H2

燃料電池   (1/2)O2 + H2 = H2O + E[J](発電エネルギー)

電気分解は水(実際は純水ではなく、不純物が含まれている)に電気エネルギーを供給して、金属電極と水分子の間に掛かる電圧(エネルギーギャップ)に因って分子分解をすると考えたい。電子、電荷を物理量から排除すれば、残るはエネルギーによって解釈する以外ない。その『エネルギー』と言う概念が物理学理論で明確に捉えられていないと、残念ながら考えざるを得ない。それは『電荷』や『電子』が水の電気分解はじめ、電気現象の基本的論拠となっているのが現実であるから。『電子』での解釈は原子構造論からの『イオン』と『電子』の関係で如何にも分かり易いように思えて、科学常識として受け入れられてきたものであろうが、そこには『エネルギー』の意識が抜けた、大きな矛盾を抱えたものとなっている。電源からの供給エネルギーと言う解釈が無い。『電子』では『エネルギー』の役割を担えない。そこに物理学理論の基本的欠陥が隠されている。

針状電極

『電荷』を否定すれば、イオンと言う解釈が採れない。しかし電極には確かにプラス、マイナスという違いがある。(プラス、マイナス)という表現自体が『電荷』を否定したら使えないのであるが、エネルギー供給側(マイナス側)とその対称極側(プラス)などと区別しても、もっと分かり難くなるから,やむなくプラス、マイナスで表現する。さてそのプラス側とマイナス側の電極と水の接触点で、どの様な電気的ストレスが発生するのか?一つ電極が針状の尖ったものの場合を考えてみたい。電極が尖った場合は、空気中では明らかに火花、グローコロナの形状が異なる。負極側では勢いよくコロナビームが放射するように発生するが、プラス極側では先端に固まった小さなコロナとなる違いがある。それは水の中でもおそらく同じ傾向の現象に成ると考えて良かろう。電極が針状の場合は分解効率が良くなるのではないかと考えたい。

印加電圧の極性が両電極で異なる。水と電極金属の間の極性(エネルギーギャップの電圧極性)が逆になる。電源のエネルギー供給は負極側からなされる。負電極と水の間のエネルギーギャップは電極金属側がエネルギー密度の高い状態を呈する。それに対して、陽極側の電極と水の間のエネルギーギャップは水が高エネルギー密度分布となると考えられる。陽極電極にはエネルギーはない。

プラスとマイナスの電極間にエネルギーギャップが掛かる。水分子と電極金属面間に大きな電圧(エネルギーギャップ)が分担されて印加される。学術的解釈論は水分子のイオン化が基本になっている。『電荷』が存在しないから、残念ながらイオン化論以外の解釈で理解したい。解釈の基準に、エネルギーと結合 (2018/10/10) および水の妖精七変化 (2017/11/02) さらに結合エネルギー:不思議の砦 (2018/12/02) を参照したい。水素分子と酸素分子が2対1の体積比に水が分離される。この実験的事実は科学論の基本として、紛れもなく自然の本質を表している。この科学的常識が『電荷』に因る、あるいは『電子』に因るイオンの解釈になると途端に論理性が欠落してしまう。

回路②。

①の集気は酸素と水素が別々の試験官に採取される。だから酸素と水素が別々にプラス電極とマイナス電極で分解分離されると分かる。「ロウソクの科学」でも、この②のように一つの試験管内にプラスとマイナスの電極によって、酸素と水素を電気分解しながら混合気体として採集している。その混合気体がやはり酸素と水素から成り立っていることを実験的に証明して見せているところが素晴らしいと感じた。その混合気体を燃焼させれば元の水になることを実験で示している。ファラディーのその実験では「電荷」も『電子』も説明には出ていない。ファラディーは“電気の力”や“エネルギー”と言う用語で解説している。そこには違和感はない。ー強力なヴォルタの電池、その二つの電極ーなどと表現しているが。20世紀初頭からの数理的理論偏重の構築された物理学によって、生活科学からの乖離が始まったのが原因ではないかと危惧する。そこに分かり難い曖昧さが忍び込んできた。

回路③。

この回路は①の回路の水(?)の部分を分離したらどうなるかと不図疑問に思ったものである。実験してみないと分からない。回路①の水(?)で繋がった部分の、所謂イオン(?)の移動ができない場合に水が電気分解されるだろうかと試したくなった。この回路はただそれだけの意味を示した。

水素爆発現象が有る。福島原子力発電所崩壊での実際の様子にもあった。大気圧の7倍の高圧破壊になるという。太陽の原理は水素の連続定常核融合現象と専門家は指摘している。水素核融合は水素がヘリウムに変換する現象で、その時エネルギーを放射する核融合反応と言う。ウラン原子の核分裂と逆の核反応現象であると。素人の感覚からすると、太陽の水素原子核融合反応が継続的にほぼ定常の水素原子消費で起きるという状況が信じられない理解力の無さを抱え込んでいる。クーロンの法則との関係で、原子共有結合原理の理解ができない悩みと同じく。「ロウソクの科学」で水素の燃焼実験を公開している。筆者は残念ながらそのような水素燃焼実験を見たことが無い。高圧水素ボンベでの燃料電池の発電方式は水の電気分解と丁度逆の化学反応だ。水とエネルギーの間の有り触れた不思議が考える一コマを運ぶ。

 

 

 

燃料はエネルギーに非ず

科学者に『エネルギー』の定義を問う。
『エネルギー』を検索すると、化石燃料や原子力発電所あるいは再生エネルギーなど様々な内容が挙がる。
『エネルギー』の定義を述べてください。
何故燃料がエネルギーなのか?石油も石炭も決して『エネルギー』ではない。それは『エネルギー』を作り出す原料でしかない。

(2020/01/08)追記。『エネルギー』とは物理的に単位はジュール[J]であろう。燃料の単位はキログラム[kg]や体積ガロン[gal]で計量するものであれば、それは『エネルギー』ではない筈だ。あくまでも『エネルギー』を生み出す化石燃料である。ウラン鉱石も同じである。化石燃料を消費して、熱エネルギーを発生させ、その熱エネルギー量で過熱水蒸気の保有エネルギー量に変換して、次に発電機の回転動力源として蒸気タービンの回転エネルギーに変換する。その蒸気タービンで断熱膨張をして仕事をした残りの水蒸気はまだとても多くの熱エネルギーを保有したまま蒸気タービンから放出される。その蒸気タービンを効率よく回すには、タービン出口の水蒸気圧力を低気圧状態にする必要が有る。そのためタービン出口に水蒸気体積を急激に圧縮するための冷却装置が必要である。その冷却装置を『復水器』と呼ぶ。その『復水器』は海水を冷却材として水蒸気の熱エネルギーを吸収しなければならない。その冷却装置の『復水器』が吸収する熱エネルギー量がボイラーで燃料を燃焼して得た熱エネルギー量の半分以上となる。それは結局海を加熱するために無駄に放出しなければならない発電の熱エネルギーサイクルの宿命なのである。結局発電熱効率は40数%にしかならないのである。核ウランや重油、石炭を燃焼して得た熱エネルギー量ジュール[J]の40数%しか有効に利用できないのである。燃焼熱エネルギー量の50%以上は海の加熱エネルギー量となっているのである。水蒸気の熱サイクルの技術的発電機能は電力エネルギーを消費する我々が知っていなければならない基本知識なのである。水蒸気機関による発電システムの宿命なのである。燃料の保有する熱エネルギー量の40数%しか有効な電力エネルギーを作れないことが科学リテラシーとしての現代社会に生きる人の基本的認識に無ければならないことである。地球温暖化に果たす悪い基本的原因が海水温の上昇であることを知らなければ地球温暖化の論議ができない筈である。『エネルギー』の何たるかを知らなければならない。地球温暖化の原因が海を加熱する発電システムにあることを知らなければならない。『エネルギー』は物理的単位がジュール[J]の意味である。またよくエネルギー研究所などと使われているから、それも誤解の原因かもしれない。エネルギー源材料とか資源とかの意味に『エネルギー』と言う用語が使われているのは物理的『エネルギー』の意味が曖昧になっている原因かもしれない。そんなことでエネルギー像(物理学基礎論)も参考にしていただければ。更に追記。丁度発電所蒸気機関の『復水器』の働きは、気象の上空の寒気が地上の水蒸気の熱エネルギーを冷却して、水蒸気体積を減縮させ急激な地上低気圧を発生させ、竜巻や台風を起こす機構と同じ意味で解釈すればよかろう。

(2020/01/23)追記。地球温暖化原因が海水温度にあると考える。関連記事、地球温暖化と海水温 (2015/05/21) および、地球温暖化原因・CO2説は嘘だ (2014/07/29) 。

『エネルギー』の物理的概念がないから世界の認識が曖昧なのだ。
地球温暖化を論議するに、『エネルギー』の物理的定義が無くて、そこにどのような有意義な未来構想を構築することが可能だと言えるのか。
0.04%の二酸化炭素が何故この異常気象の温暖化の原因だなどと言っておられるのか?海水温度の上昇の地球規模の熱エネルギー量・ジュール量を計算してほしい。太陽熱が云々などという非科学的業界論に支配されてはいけない。

『エネルギー』の物理学的定義を明確にすることから始めてください。決して燃料は『エネルギー』ではありません。『エネルギー』の発生源材料でしかありません。