カテゴリー別アーカイブ: 電気物理

マグネットの基礎研究

(2021/05/22)。マグネットの世界。

基礎研究とは不思議な意味だ。
これだけ科学技術の恩恵の中で生活している。長い伝統に支えられた電気技術の中で、磁気の意味は解っている筈なのだ。しかし、その理論は少し人が複雑に解釈し過ぎた概念で構築されたものだ。自然はそれ程複雑な意味ではないように思う。マグネットは日常生活にとても便利な生活用品となっている。

マグネット。
マグネットは科学理論での解釈には磁束がその基礎概念となっている。しかし自然はそんな磁束など持ち合わせていない。

マグネットの力。それは『エネルギー流』 -Axial energy flow-  の間の近接作用力だ。図の青い色で仮想した。


マグネットの特徴はその力の謎に隠されている。科学技術としてマグネットを捉えれば、S極と N極がありその二つの磁極の間にとても強い引力が働く。 それだけで利用できるから、技術的にはその原理など過去の法則で十分だ。という事で済まされる。磁極間の離隔距離 x と力 f の関係には興味を抱かない。しかし、本当に過去の法則通りかどうかを実験で確認してみようと思えば、それは「基礎研究」になる。おそらく法則通りの結果には成らないだろう。問題はその『力』の測定法がとても難しい筈だ。実験器具とその測定法(秤と仕組み)をどの様にするかがその結果に響く。なかなか思う通りの、実験結果が得られないかも知れない。元々磁束など自然界の無い上に、その概念では近付くとどのように変化するかの科学的論理はない筈だから。

磁束概念の否定。実験結果の予測をすれば、磁束の意味が分からなくなるだろう。間隔 x と力 f の間に磁束量が関わる結果はない筈だから。物理学教室におられる研究者がやる意味はある筈だ。それが基礎研究と言うものだろう。実験も無く申し訳ない記事です。

電荷Q[C]とは何だ❕

(2021/05/18) 。「電荷とは何か」と検索した。「受験物理ラボ」に筆者が指摘したかった電荷問題があった。参考にさせて頂く。

電荷の論理性 (2020/10/26)で取り上げた課題でもある。

『〈問題〉二つの電荷の帯電体があり、接触すると、電荷は幾らになるか。

〈回答〉二つに等しく分かれるから、

{4.0×10⁹ +(-6.0×10⁹) }/2 = -1.0×10⁹ [C]

の電荷量となる。』と言うような解説である。

電荷が自然界に実在すると言う科学認識に立てば、当然上のような問題が取り上げられてもおかしくない。それは科学常識の科学パラダイムであるとも言えよう。

ただ帯電体の形状と『電荷の保存則』に対して、どう理解すれば良いか少し疑義は在る。プラスの電荷とマイナスの電荷は相殺して消えてしまう事に成ると言うのも解る。もし、両電荷とも等量なら、

4.0×10⁹ +(-4.0×10⁹) = 0[C] 

と、ゼロ[C]になる。

ここで、この電荷概念の不可解な疑問が起きる。この世界で『実在』するものがその存在も無かった如く消え去るなど、『あの世の幽霊』の話としか考えられない。実在する物は光などの『エネルギー』から成り立つものである。コンデンサの電極に正と負の電荷が充電されたとする(実際は電荷などでなく、『エネルギー』の貯蔵であるが)。その電荷が合体して消滅したとする。その時ただ消滅するだけでなく、アーク放電などで火花として光の『エネルギー』が放射される筈である。それが技術の世界の現実である。

電荷Q[C]が空間に在ると科学パラダイム・物理学理論によって仮定する。

Q[C]とその周りの空間の物理学的状況をどの様に解釈するか?図は古い記事のものだ。

電界強度ベクトルE(r)[V/m]の空間点p(r)のエネルギー w(r) [J/m³]を認識する筈だ。それは電荷Q[C]がもたらした空間の『エネルギー』の筈だ。物理学理論でこの『エネルギー』を認識するか無視するかを確認してもらわなければならない。この程度の電気概念にきちんと解釈を示さなければ、物理学理論の教育的意義が無くなろう。この認識がマックスウエル電磁場方程式の『エネルギー』の解釈に繋がるのだ。電波が横波だ等と逃げてはいられない筈だ。電界も磁界も『エネルギー』に無関係では済まないのだ。

むすび。 電荷概念はそのエネルギーとの関係の論理的な収拾がつかないのではないか。電荷Q[C]が空間全体に無限遠方まで、『エネルギー』を伴う等となれば、理論の野放図な無責任論となる。市民が誰でも分かる理論である事が物理学理論に求められているのだ。教科書を書かれる方は、空間に表現する「電荷と電界とエネルギー」の関係を御理解されていると思う。曖昧な内容を教える事は子供たちに申し訳ない。教育機関及び関係者の課題である。

中学生への応援電気回路論

(2021/04/30) 。一緒に新しい世界への扉を開けよう。
誤謬に満ちた科学理論の真相を知ろう。その根源は『電子論』に在る。未来は君たち若者が担っている。学習の楽しさを学ぼう。『楽しい不思議がいっぱいの自然』だから、汲めども尽きぬ宝の山だ。

白熱電球のエネルギー変換が中学2年生の学習課題になっている事を知った。自然の優しいそして深い不思議の宝物を探しに行こう。少し手助けしたい。


懐中電灯の電気回路だ。一番易しい基本の電気回路だろう。電池と電球をスイッチS と電線でつないだ回路だ。学習内容はこの回路で、白熱電球のエネルギー変換の意味を理解することが目標らしい。

しかし、その白熱電球の【エネルギー変換】と言う電気現象を理解するという事は途轍もない物理的意味を理解しなければならないのだ。その『物理的意味』と言う内容は、残念ながら物理学理論できちんと解説できる状態にまで、自然現象を認識できていないのだ。自然現象は本当は易しい意味にも拘らず、構築された科学理論では、複雑な捉え方をするように概念・定義を決めているから、本当の自然現象の理解に到達していないのが現状だ。若い皆さんは回り道をしないで、自然に素直に向き合う事によって複雑な概念など知らなくても納得できる解釈に到達できる筈なのだ。その為の話でお手伝いをしたい。

最大の物理学理論の欠陥。それは空間に在る『エネルギー』を認識していない事だ。巷の解説で、『エネルギー』とは?と問えば、「仕事をする能力」などと説明されている。仕事をする能力等と言われても理解できますか?『光』とはどの様なものでしょう。身の周りにあふれて、景色や文字や自然の世界の花や虫の姿を見せてくれる物理量、それがその『光』だ。それは空間を光速度で流れる『エネルギー』なのだ。その人に景色を見せる能力をもって、光の仕事をする能力と解釈するのかも知れないが、そんな意味で仕事とは言わなくて良かろう。光のエネルギーの流れで景色を認識できると言う、日常の『エネルギー』の世界を知って、まず基本的認識にそのことを感じて欲しい。光の姿がどんな物かは知らなくても今は良い。何で光の話をしたかと言えば、電気現象は、電線路で囲まれた空間を流れる光のエネルギーの現象だから。

上の図の電気回路の動作原理を考えよう。回路は3つの部分に分けられる。電池、電線路そして電球の3つである。それらがどの様な電気現象の機能を果たしているのか。結論を言えば、それはすべて『エネルギー』に関わる機能である。

『エネルギー』とは何か。

この最も自然界の基本である『エネルギー』の意味が、現代物理学理論では捉え切れていないのだ。身の周りに溢れている『エネルギー』の空間像が分かっていないのだ。存在もしない『電子』を仮想的に概念として設定し、それを電気現象を解釈する基本素子として定義し、それに因って理論を構築してきたのだ。残念ながら教育がその『電子』によって電気現象を解釈する伝統的論法で成されているのだ。『電子』などでは結局いつまでたっても論理性で納得できない迷い道を歩くことになるのだ。もっと簡単に、『エネルギー』の意味を感覚的に捉えられれば、すべての電気現象が分かりやすくなる筈だ。そこから電気の技術法則の意味が自然現象との関係で分かるのだ。

電池とは何か。

電池とは『エネルギー』を貯えた電気製品だ。その電池の中にどのような『エネルギー』を貯えているのか。この『エネルギー』がどの様なものかを現代物理学理論では認識できていないのだ。その『エネルギー』の解説が出来ないのだ。決して『電子』はその『エネルギー』の運搬の役割など担えない。『電荷』も『電子』もこの自然世界には無いのだ。だから、その解釈は若い未来の皆さんの解釈に掛かっているのだ。

乾電池のエネルギーが行方不明 (2021/05/91)。電子でエネルギーは運べない。

電線路の役割。

電線路は最低二本の導線で囲まれた空間が必要だ。電池のエネルギー(光と同じエネルギー)を負荷(電球など)に届ける伝送空間を構成する機能設備だ。

電球の機能。

電線路空間を伝送された電池のエネルギーを電球のフィラメント内に貯蔵して、高エネルギー密度の高温度空間とする。その空間の飽和エネルギーが光のエネルギーに変換されて空間に放射される。白熱電球は電池のエネルギーを只光に変換する機能技術製品である。電子などは無用である。

乾電池と花一匁 (2021/01/13) 。

直流の分布定数回路現象

(2021/03/01)。下書きのまま1月以上が過ぎた。標準の科学理論はそれぞれの専門の部門に所属して、科学研究者として生活の保障を得た上で、投稿論文が専門家の査読で認められて科学誌に掲載さる。その科学的知見が評価されてこそ意味が有る。30数年前に『電荷』の意味を問う『静電界は磁界を伴う』の発表をした。その当時は、己の社会的存在の意味も理解できず、ただ電気理論の諸法則への疑念を強く抱き、自分しか唱える者はいないとの確信一つを抱いていた。職場に存在することが社会的不適合化と離れた。やむなく現在のブログによって、障子を前に自己問答して科学理論の本質を探ってきた。壱日一日が疑念と問答の繰返しであった。そのようにして科学理論の論理的根拠を探り、昨年から今年にかけて漸く電気回路の自然現象の姿を理解できたように思う。数多くの記事は科学論文にする内容ではなかったかも知れない。何も科学的検証可能な『データ』もこれと言って無いかも知れない。ただ総合的に振り返れば、その内容には自然現象の本質があるとの確信のみだ。ただ最近思う。科学の研究者として人並みに生活をする職場、それを勝ち取る公平な土俵は何処に在るのか?

この記事も『電荷』否定の自然感への確信から、電気回路現象を解釈する論説である。それは現在の科学理論として標準の教科書が解説する、所謂「科学パラダイム」の批判論と成る。電気現象はすべて、『エネルギー』の光速度伝播として捉える必要があるとの主張である。

回路。

普通の直流回路とは負荷要素が異なる。コイルあるいはコンデンサに直流電圧を印加した場合に、どの様な回路現象を呈するか。スイッチSにヒューズを添える。コイルの場合は電源短絡に成る。またコンデンサの場合は電圧が高電圧の場合にはコンデンサ内でフラッシュオーバーが起きるかも知れない。それはやはり電源短絡である。電源及び回路保護にヒューズが必要。

この回路で電源と負荷はどのような電気現象を起こすだろうか。オームの法則で解釈する電気現象ではない筈だ。当然電流あるいは電子での解釈では難しいだろう。『電子』が光速度で回路を周回して電源に戻るなどできる筈はない。それでも回路動作は負荷と直流電源の間に起きる電気現象である。どんな理論で解釈しようとも、電源から負荷に向かって『エネルギー』が伝送されることには間違いはない。しかも光速度伝播の現象として現れる。科学理論はとても難しい数学的解説が主流になっている。電気現象に量子力学的解釈を適用しても、『電子』による論理では『エネルギー』を電源から負荷に伝送する単純な意味さえも示し得ない。このような単純な電気現象についてさえ解説を成し得ない現代物理学理論だという意味を誰もが理解しなければならない。

『エネルギー』の光速度伝播と分布定数回路。

光は自由空間を伝播するやはり『エネルギー』である。電気回路現象は光と異なり、導線で囲まれた線路空間に伝送の場が制限された、光に似たような『エネルギー』の伝播現象である。光に似たという意味は光のように目には見えないが同じ『エネルギー』の光速度の流れであるという意味である。この『エネルギー』と言う物理的実体を認識することが必要である。例えば、高等学校の理科教育を考えれば、この空間に実在する『エネルギー』を認識していないから教えることが出来ていない。空間に実在する『エネルギー』を教育して来なかった現実が科学理論の考えない業界論に成っているのだ。だから『エネルギー』の光速度伝播の縦波と言う理解が出来なくて当たり前なのだ。電気回路空間を伝播する『エネルギー』の波となれば、電気回路導体内を流れる『電流』あるいは『電子』などと言う、自然界に実在しない物理仮想概念で理解することなど誰でも困難の筈である。電線で囲まれた電線路空間は、その空間構造を静電容量とインダクタンスの二つの空間解釈概念で捉え、その分布定数回路として認識しなければならなくなる。空間を誘電率と透磁率で捉える解釈法も、言ってみれば科学技術的手法の一つの解釈便法であるかも知れないが、その概念に頼らなければ、数式による認識・解釈法が執れないから止むを得ないという事なのかも知れない。せめてその二つの空間の電気的解釈論拠(誘電率と透磁率)を受け入れて、『エネルギー』の挙動を認識しなければ科学論としての最低の解釈法も採れなくなる。不立文字の一歩手前で踏み止まるしかない。

(1)コイル負荷。その電気現象を(1)図に表現した。

コイル負荷に直流電圧電源をスイッチオンで印加する。スイッチ投入と同時に、電源から『エネルギー』が回路に投入される。その『エネルギー』は光速度以上の速度では伝播しない。必ず負荷まで到達するに時間が掛かる。たとえ光速度であっても時間経過が生じる。スイッチ投入と同時に、電線路の負側導線近傍を『エネルギー』δp[J/m](1[m]当たりの分布エネルギー)の分布波が流れる。しかし、この『エネルギー』の伝播状況を実験的に証明する測定法はないと思う。証明しなければ科学論として認め難かろうとも思う。それは電源電圧 V[V]とすれば、電線路の分布定数の静電容量 C[F/m] によって決まる分布伝送『エネルギー』であり、それは

δp=C V^2^ [J/m]

として、回路定数と電圧の関係式で表現できる。電源電圧とは、その電線路の構造や空間媒体(絶縁物の誘電率など)に対して、『エネルギー』の供給能力を評価した解釈概念であると言える。電圧とは、決して『電荷』の仮想的な創造概念などで評価、解釈できるものではないのだ。さて次に、負荷に貯蔵される『エネルギー』はどのように解釈すれば良いかが問題となる。なお、伝送電力pはその分布『エネルギー』δpに回路伝送速度(光速度) co=1/√(CL) [m/s] を掛けると得られる。

p=δp×co = V^2^/Zo [J/s]

ただし特性インピーダンスZo=√(L/C)である。

負荷特性とα

高周波伝送回路では、定在波と反射波の関係が論議される。ここで負荷に『エネルギー』がどの様に吸収されるかが問題となる。その解釈に負荷の整合の関係が論じられる。その関係をαと言う定数での統一した解釈をしたい。(1)図のように、α=√(Lr/L) とした。負荷の誘導性インダクタンスは線路定数Lに比して、相当大きいから α>1 となる。このαは負荷と回路特性の間の関係を評価する整合係数と呼べば良いかと思う。もし負荷が純抵抗の場合なら、αが1より大きければ、負荷端で反射が起こる。伝送エネルギーをすべて吸収できないから。その反射分だけ電源からの伝送分が減少して電圧が規定値に成り、差し引き電源供給の『エネルギー』が負荷に合った分に落ち着く。ところが、コイル負荷では少し異なる。コイルの『エネルギー』貯蔵の現象がどの様であるかを認識する問題になろう。

コイルの貯蔵エネルギー

この問題は、コイルとファラディーの法則の関係による電気技術の解釈に繋がろう。コイルの貯蔵エネルギーは印加電圧の時間積分の解釈で対応すべき問題である。この回路の場合は、電源が直流電圧の一定値である。この場合はコイルに電流は流れない。コイル端子に直流電圧が印加される。それはコイル前の回路の静電容量C[F/m]のエネルギー分布がそのままコイル内に侵入すると解釈する。コイルにその『エネルギー』が伝送され続けている限りコイル端子には電源電圧が印加され続ける。コイル巻き線間の隙間に均等にenergyが分布入射すると解釈する。電圧時間積分でコイル内の貯蔵エネルギーは放物線状に増加する。磁束概念との関係で捉えれば、磁束の2乗に比例するという事である。磁束と言う用語も、実際は磁束がコイル内に自然現象としてある訳ではないが、今までの科学理論の解釈を踏襲して解釈すればという事ではあるが。その間、励磁電流等流れる必要もない。コイル内空間の『エネルギー』が飽和した時点で突然コイル端子は『短絡』となる。

(2)コンデンサ負荷。その電気現象を(2)図に表現した。

負荷がコイルであろうと、コンデンサであろうと電源からスイッチオンではじめに送出される分布『エネルギー』は同じである。それは基本的に電源電圧とその端子につながる電線路の電気的特性で決まるのだ。それが負荷の特性の違いで、負荷にその『エネルギー』の先頭が到達した後、負荷特性と線路特性との関係で反射現象が決まる為、負荷点の特性に因る事から違いが出る。

このコンデンサ負荷の場合の現象は、コンデンサ容量 Cr[F] に『エネルギー』が貯蔵されれば当然電線路の『エネルギー』分布の流れは止まる。従って、それ迄の一瞬の過渡現象だけの問題になる。

懐中電灯の特性

(2021/01/18)。懐中電灯

右は少しクラシックの高級懐中電灯だ。電源は単一乾電池4個直列に成っている。白熱豆電球が負荷だ。

 

 

電池の放電特性。

右は単一型乾電池のある会社の放電特性の試験結果だ。乾電池と花一匁 (2021/01/13)のデータの意味が不思議で再び取り上げた。放電条件で、電池容量が大きく異なる結果を示す理由が分からない。

実際の懐中電灯がどの様なものかを調べてみたいと思った。懐中電灯の電気回路現象はオームの法則で誰もがよく知っている。しかし、それは回路に電流が流れるという科学技術概念に因った理解だ。電線に『電流』や『電子』が流れていないとの認識に立てば、そう簡単に分かったとは言えない。懐中電灯回路の日常に有り触れた製品でも、科学技術的解釈理論とその中の自然現象の本質とは違う。本当の物理現象は『電流』や『電圧』と言う科学技術概念ではその真相は分からない。自然現象の本質を理解するには『エネルギー』の流れで捉えなければいけない。それは既に教科書の解説理論と異なる内容になる。教科書は『エネルギー』の流れと言う認識では解説されていない。最近分かったと思ってまとめた記事がある。エネルギー流が電圧・電流 (2020/10/01)。その末尾に、【実験的課題】α<1の時。として疑問を残しておいた。今回その点で新たな認識に至った。 

実際の負荷条件は殆どα<1の場合である事に気付いた。その為、右の図を修正しなければならなくなった。ビニル絶縁電線が屋外配電線路並びに屋内配線のFコード等として使われている。その特性インピーダンスZoの値が500Ωに近いように思う。ビニル絶縁体の比誘電率が2~2.8程度となればそんな値に近いかと思う。乾電池の回路での配線は普通往復の単線回路だ。冒頭に示した製品の内部を見た。そこに観える回路には何か電気技術感覚の優れた直感からの誇りが隠されているように思えた。電気回路の回路定数はその電線路の空間構造によって決まる。分布定数回路空間の世界 (2019/10/14) に算定式をまとめた。

ここには電線は使われていない。金属導体板で回路が構成されている。直流回路の導線がどの様な意味を持っているかが示されているように思えた。この回路構造で、導体が平板で伝送空間が広く、電線より回路容量 C[F/m] が大きくなり、その為『エネルギー』の伝送容量の増加が見込まれる。以前平板コンデンサ配線回路等と言う記事を書いたこと思い出した。今はもう懐中電灯は新技術やらで、LEDが使われこのような電気現象の原理を考える古き良きものが消えてしまった。ブラウン管テレビが消えたように。

回路構成。

ランプ定格。4.8V,0.5Aと豆電球に記されている。電源電圧を計ると無負荷時 6.4[V] ある。ランプ抵抗は 0.9[Ω]のテスターでの測定結果を示す。ランプ負荷時はフィラメントが高熱になって抵抗が 9.6[Ω]程度に成る。それは500Ωに比べればとても小さい抵抗値だ。負荷は定格容量 P=2.4[W]以上 となろう。

回路現象解釈。

(教科書)。教科書では、当然のごとく、『オームの法則』で解く。電源電圧V=4.8[V] 、抵抗R=9.6[Ω]なら、電流I= o.5[A] と『電流』が求まる。それだけで、負荷電力も直ちに計算できる。科学技術論としてはそれで充分で、それ以上の事は考える必要もない。直流回路では、電気回路の回路定数は考慮しない。実際には特性インピーダンス Zo[Ω]が負荷抵抗R[Ω]との関係で重要な意味を持っている。

(自然現象)。『電流』と言う貴重な科学技術概念の御蔭で、すべてが数式での論理性を持って解析でき、すべて教科書によって理解できる。この科学技術以上の事は世界の電気理論には取り上げられていない。ほぼ『電子』が『電流』と逆向きに電線の中を流れるとの解釈で専門的論理が完結している。そこには負荷にどのように『エネルギー』が電源から伝送され、消費されるかの意味が不明のままである。この単純な懐中電灯の電気回路で、『エネルギー』がどのように振舞うかをまとめた。

(1)α=1の場合。

δp1(α=1の時の伝送エネルギー)を回路整合時の基準値と定義する。負荷抵抗がR=Zoの場合は、電線路伝送の『エネルギー』の分布量δp[J/m]がそのまま負荷に供給され、負荷反射なども起きない。この状態を回路動作の基準と定義し、その値をδp=δp1とする。

(2) α<1の場合。

この場合が通常の回路状態と考えられる。負荷抵抗値Rが回路特性インピーダンスZoより小さい場合である。この1より小さいαの場合が通常の負荷状態であると気付くのに時間が掛かった。オームの法則での解釈と異なる、『エネルギー』流によってどのように認識するかの決断にも時間が掛かった。すべて実験で確認できる内容ではない。従って『エネルギー』と言う物理量がどの様な特性を持っているかを己の感覚に照らし合わせて、決断をしなければならない。これは科学論とは言えないかも知れない。

決断点。『電圧』は電線間のエネルギーギャップ δg[J/m]の技術概念である。そして自然界には決して『電荷』は実在しないという強い確信がその決断の原点となった。その事を纏めれば、電池のプラス側の電線近傍にエネルギー分布のδo[J/m]の滞留分を付け加えるしかないと判断した。その『エネルギー』は負荷への流れには関わらない。反射でもない。その分が負荷増分の『エネルギー』となり、マイナス側を伝送する増加『エネルギー』流となる。

    伝送エネルギー δp = δp1+δo [J/m]

    線路電圧    v=  (δg/C)^1/2^ ={(δp-δo)/C}^1/2^ [V]

 電流      I= ( δp/L)^1/2^ [A]

 電力      P= VI = δp/(LC)^1/2^ = (1/α)δp1/(LC)^1/2^ [W]

となる。以上が決断内容である。

(3)α>1の場合。

消費『エネルギー』が微弱の場合は、電源電圧保持『エネルギー』より少ない伝送『エネルギー』で十分である。負荷が要求する電力P[W]に対する伝送『エネルギー』分δp[J/m] では電圧保持には不足である。そこに流れない滞留『エネルギー』分布δo[J/m]が生じる事に成る。

  伝送『エネルギー』 δp=αP(LC)^1/2^ [J/m]

  電圧         v={(δp+δo)/C}^1/2^ [V]

電池放電特性。冒頭に掲げた放電条件で電池の『エネルギー』量が異なる訳が分かったとは言えないが、負荷が重くなるとプラス側導体周辺の滞留『エネルギー』が増加する。そのプラス側の分は負荷によって増加するから、その分の外部への放射損失が増えると考えたい。

直流回路の電気現象について。教育とオームの法則 (2020/09/06) で指摘した。その疑問の一部について、漸く満足の出来る『エネルギー』による解釈に到達できた。この自然現象を理解するのも、一般の方には難しいかも知れない。しかし、『電子』と言う科学常識論が誤りである事だけは間違いない。これからの理科教育と言う面で、とても大きな課題がある事を明らかにできた。それはみんなが『学問の自由』と教育いう意味を考える課題でもあると思う。

 

変圧器のエネルギー伝送現象

変圧器はファラディーの法則の適用によって解釈する科学技術設備である。大電力の伝送は変圧器に因る高電圧化が欠かせない。

ファラディーの法則。
その原理はコイル内の磁束φ[Wb]の時間的変化率によって、端子に発生する電圧が決まる事を示している。コイルの巻き線数nに比例する電圧vが発生する。
  v=n(d φ/d t) [V]
と表される。この式によって、電磁誘導現象の理解が容易だ。しかし、この法則は磁束と言う技術概念が使われているから、その意味を理解することが必要になる。もし自分が、初めて先生から磁束がコイルの中に発生すると電圧が生じると聞かされた時、簡単に理解できるだろうか。コイル内の空間に、磁束と言う線束が貫通するという磁束の物理的概念に疑問を抱くか、抱かないか。殆ど疑問など抱く余裕が無いからその言われたままを記憶して、磁束が自然界にはあるのだと理解する。

変圧器の構造。
基本的には、巻き数の異なる二つのコイルと鉄心からなる。

自然界に磁束は実在しない。
鉄心の役目は何か?鉄心が無ければ変圧器の機能は望めない。その鉄心の物理的役割は何か。技術概念としての磁束は鉄心の中を空間より多く通せるからと解釈する。技術概念ではそれを飽和磁束密度と言う言葉で捉える。磁束の飽和値が高いと解釈される。変圧器の役割は二つ以上のコイルの間で、異なる電圧を発生する電圧変換設備と言えよう。電圧という科学技術量を変換し、電圧を変えながらも『エネルギー』をコイル間で同じ量で伝送する機能を持っている。磁束は無くても『エネルギー』は自然界に実在する。それなら磁束でなく『エネルギー』で変圧器の現象を理解すべきではないか。科学技術法則はとても便利に自然現象を利用する手法を提供する。とても分かり易い。しかし、技術法則と言う物は、自然界に無い概念を定義して、自然を利用しやすく取りまとめる理論と言えよう。だから専門技術者は、簡単に技術概念を駆使して利用技術理論を使いこなせる。しかし概念が専門的な定義に因っているため、なかなか一般の市民には採りつくことの難しい理論となっている。もっと自然の本質に迫った解釈法なら、市民も理解し易い筈なのだ。理科教育はその考え方に基づく方向性を採るべきである。みんなが未来の科学技術に、その安全性や安心への意見表明による責任が発揮できるように。変圧器のコイルを巻く中心に鉄系の鉄心が使われる訳は何かを考えただけでも、その自然の特性や機能を理解することは難しい。しかし、自然現象が全て『エネルギー』がその主役を担っている事に思い至れば、必ずや分かったと安堵できる筈である。其処に科学技術と自然現象との関係を見つめる魅力がある筈だ。鉄心の内部に『エネルギー』が侵入するに時間を要するから、1次側の電源からの印加電圧による『エネルギー』供給に対して、十分対応できることになる。コイル電圧はコイル内部貯蔵の『エネルギー』が飽和したら『ゼロ』となる。鉄心内部に『エネルギー』が流入している限りコイル短絡には成らない。

自然の本質は分かり難く、複雑である。経済的効果を求めるなら、あまり役立たないかも知れない。しかし、精神的な安心感を得られる。複雑な技術概念は分からなくても、自然現象としての奥深くに秘められている不思議を心で体感できるから。その上で、技術法則を学習すれば、その技術的解釈法がとても優れている結晶だという事も解る筈だ。技術屋さんの専門性がなくても、大よその利用概念が分かって技術への理解で、未来科学技術の安全への自分なりの責任を発揮する基礎を身に付けられる。それが理科教育への大事な眼目と考える。

『エネルギー』で見る変圧器。
変圧器の機能は『エネルギー』の状態を1次と2次で変えて、伝送する電気設備である。この『エネルギー』を物理学理論ではどのように捉えているかを筆者は知らない。残念ながら、その認識が物理学理論には無いとしか思えない。電気磁気学で、電界と磁界の概念を空間電磁場に適用して理論が構築されている。その電界とか磁界と言う概念の意味を深く突き止めれば、必ず『エネルギー』に行き着く筈なのだ。それは光の半波長も空間の『エネルギー』の分布の認識に行き着く筈なのだ。しかしその解釈はどうも物理学理論には無い。それは自然を深く突き詰めて考えていないからではないかと勘繰らざるを得ない。電磁場を電界と磁界と言う概念で理解できたと解釈する限りは、空間に実在する『エネルギー』には届かない。宇宙論で高尚な理論を唱えても、足元の電気回路内の『エネルギー』が観えない限りそれは未来の世界観には届かない。単に変圧器の内部の電気現象でも、そこには『エネルギー』がその機能の主役を演じているのだ。上の図に大まかな変圧器の中の巻き線周りでの『エネルギー』の分布とその電気要素コイルとコンデンサ機能からの捉え方を提示した。

 

まとめ。

空間エネルギー分布が変圧器巻き線空間を支配している。その様子を上の図に示した。その『エネルギー』が変圧器外部回路にどう表れるかを右にまとめた。(2020/12/03)修正した。巻き数比a の関係も示した。このエネルギー電線路分布量δxx[J/m]はその電線路回路定数 Cx,Lxによって電圧から決まる。伝送エネルギーと反射エネルギーは負荷整合からのズレによって自動的に決まる。

変圧器の機能解釈で、ここまで辿り着くまでに、変圧器‐物理学解剖論‐ (2011/09/13)。変圧器の奇想天外診断 (2015/06/03) 。変圧器の技術と物理 (2019/04/12)。などがある。中でも・・奇想天外診断は思い付きの単純な実験ではあるが、それ以降の電気回路解釈に決定的な指針となった。『エネルギー』論への確信となった。

導体と空間とエネルギー (2020/11/28) をこの変圧器の現象説明のために先に示した。

導体と空間とエネルギー

(2020/11/07)エネルギーギャップ。
電磁気現象は『エネルギー』の動態を捉えて、その世界が観えるようだ。決して『電子』ではその真相は観えないだろう。
空間に在る『エネルギー』の姿を決めるのは、その空間構造を規定する金属導体と観ることも出来よう。その見方を纏めてみた。
電圧とエネルギーギャップ。


エネルギーギャップ。

少しづつ電気現象における『エネルギー』の姿が観えてきた。それらを繋げて行くと、すべての現象が金属導体とその近傍に関わる『エネルギー』の姿である。近接した導体が有れば、その間の空間にエネルギーが分布する。その分布の姿は、必ず不均一である。と解釈する。その様子を上の図に示した。コンデンサもコイルもその導体の間に不均一に『エネルギー』が分布する。その不均一分布を『エネルギーギャップ』と唱えたい。それはダイオードのp型と n型間に存在する不均一エネルギー分布との解釈と同じとみる。ダイオードはその『エネルギーギャップ』によって導通「オフ」状態となっている。n型側に『エネルギー』を加えれば、ダイオード「オン」となる。そのように基本的に空間構造体内に『エネルギー』が存在する姿は不均一である。その『エネルギーギャップ』が電気回路の回路定数、特に容量C[F/m]との関係で端子電圧V[V]となる。

『エネルギー』と光と空間定数。上の捉え方が誘電率εo[F/m]および透磁率μo[H/m]と光伝播現象との関係の哲学的考察につながるだろう。 

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。磁束とは、人が電磁誘導現象の訳を解釈するために仮想的に磁界の中に在ると考えた概念である。『電圧』とは何か?と同じように『磁束』の、その真相・意味も分からないのである。それは磁石のN極側から空間に放射する線束として仮想した概念である。空間に在る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、その本当の意味は、N極およびS極の周りをエネルギーが回転している、軸性エネルギー流の空間現象なのだ。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。

 

 

What determines the battery voltage?

基礎研究とは何か? (2020/07/11)。

『何が電池電圧を決めるか?』と検索してみた。電池は『エネルギー』を貯蔵する電気用品で、あらゆる可搬型電気器具の『エネルギー』源として欠かせない技術用品だ。古くから使われている乾電池は電圧 1.5[V] だ。鉛蓄電池は電圧 2.0[V] の単位cellである。ボタン電池は 3.0[V] 等である。それぞれの電池は特有の一定電圧である。そのような一定電圧になる訳を説明できるでしょうか?これだけ情報化社会でも、こんな身近な電気用品の「電池電圧」が何故一定値になるのかの解説がどこにも無い。検索すれば、『電子』が解説の主役として論説されるが、そこに『エネルギー』がどのように負荷に供給されるかの意味が示されていない。科学理論は「論理性」がその根本をなしていると思われている。しかしそこで解かれる解説には、論理的で説得力のあるものが見えない。科学論を述べる解説者が、一般の市民の疑問を受け付けない『専門性』の閉鎖障壁となる『門』で塞がれているように思える。『学問』と言う疑問を大切にする、問う事で学ぶ『問』から離れてしまったようだ。

大学で成されるべき基礎研究とはどんなものか。技術開発だけではない筈だ。例えば、『電荷』とはどの様なものかを問う『学問』の府でもなければならない筈だ。それが多様性を重んじる豊かな基礎学問の府となる筈だ。それは科学技術の競争とは異なって、「経済的利益」を求める事に役に立つものではない。税金を使ったら利益を生めという事では『学問』は消えてしまう。生きるに日金を稼がなければならない労働(労働の平等を破壊する派遣労働制)を虜にする社会構造では、未来の理想社会の姿を考えるゆとりが奪われ、政治批判能力が育たず、選挙権を行使する民主主義の基盤が崩れ去る。独裁政治が生まれる。

科研費を稼ぐために競争的資金獲得に汲々とするところには本当の基礎研究はない。多寡が乾電池の電圧の事であるが、何故『エネルギー』を使っても一定値を保つのか?に答えて欲しいだけなのだが、それに答えられないのでは問題ではないか。安心して取り組める環境でない任期制の研究者体制で、どこに基礎研究体制が採れるというのか?研究費獲得のために、汲々とするところに乾電池の端子電圧の意味を考える基礎研究は決して為されない。

乾電池の電圧が何故 1.5[V] かを説明できる訳を求めるような、本当に日常感覚で疑問に思うような問題が基礎研究の基になるのではないのか?教科書の理屈では、誰でも答えられない問題なのだ。

過去の思考記事。電池の原理を問う (2014/11/27) 。電池電圧と『エネルギーギャップ』 (2016/05/08) 。謎(pn接合は何故エネルギー空間か) (2017/05/18) 。電池における電子の役割を問う (2018/05/24)。