水は産業革命の力を象徴して科学の世界を広げた。蒸気機関車が今もその威力を見せてくれる。水を加熱すると水とは思えない魔法の力を生み出す。燃料電池はエネルギーを生み出す。水を介したエネルギーと力の関係は日常生活の湯沸かしから巨大科学技術機関の発電所まで広い。酸素分子O2と水分子H2Oに悩むの記事を読んで、また自分の頭の知識貯蔵庫に違和感を覚えた。蒸気機関の熱サイクルで、水蒸気の乾き度と湿り度と言う用語がある。乾き度100%は高温・高圧の水蒸気状態である。水蒸気は酸素と水素の混合状態に簡単に変化する。乾き度100%の水蒸気は完全に酸素と水素のガス混合体と考えて良かろう。高温高圧のガスである。酸素と水素と水とエネルギーの間は、日常生活の中で、いつもそこに潜む妖精が支配している世界のように感じる。酸素と水素と水の間柄には、お伽の世界が現実に現れたようにさえ思える不思議を感じる。湯沸かしの沸騰で幾らかが酸素と水素に分解するのもあろう。と言っても湯の中を上昇する内に水蒸気に戻ってしまうだろうが。

水の電気分解　水の電気分解と言う化学反応は良く知られた現象である。水に電気エネルギーを加えることで酸素と水素に分離される。水の電気分解は酸素と水素の原子が結合したものを『電子』と言う素粒子(？)の電気回路を通した供給で元の原子に分解する現象と解説されている。『電子』と言う『電荷と質量の集合粒子』が水の原子結合をどのように分離するのかの詳細な解釈を知らない。理科の大切な実験例として取り上げられ、観察する機会も多かろう。ただ解説によれば、水酸化ナトリュウム等の電解質分子成分が必要らしい。水は電流を流さないからと説明がある。電流と言う電子電荷(質量不要)の逆流は一つの解釈方便でしかないので、『エネルギー』の関係で解釈する以外ないのだ。イオンの『電荷』を否定すれば、酸素と水素の結合・分離は『エネルギー』で解釈するより他になくなる。水酸化ナトリュウム等の電解質イオン水の電気分解で、得られたガス成分の検証を火に因る燃焼音などの現象で確認しているが、それだけで水が電気分解で発生した分離酸素と水素だと言い切れるのだろうか。また、そのガス内に炭などを電極にして発電作用(燃料電池)の確認が出来るかも興味がある。また『エネルギー』で、電気エネルギーと熱エネルギーにどんな違いがあるかと考えるてもその差が分からない。電気エネルギーには二本の導線の間で流れる方向が決まっているから、負の電極(水素)側からエネルギーが供給されるだろう。正の電極(酸素)側のエネルギーはどのよう考えるか。水酸化ナトリュウムは電極と水との間の触媒としての働きを成しているのだろう。原子、分子あるいはイオンの媒体環境でのエネルギーレベルの差がイオン化傾向として理解されている事に関係しているのだろう。ナトリュウムがその鍵を握っているかも知れない。

何故酸素か　南極上空のオゾン層が増減したとニュースになる。物は酸素と結合して燃焼現象を呈する。燃焼は熱・光エネルギーを放射する。その訳を説き明かすのは物理学だ。何故酸素原子が他の元素と違って、結合でエネルギーを放射するのか。そのエネルギーは何がエネルギーに変換したものか。燃料電池は酸素と水素の結合でエネルギーを作り出す電池だ。水に電気のエネルギーを加えると酸素と水素に分解できる。酸素と水素と水の間の変換を取持つのがエネルギーである。酸素と水素の化学結合と言う現象が元の酸素と水素原子に変化が全く無くてエネルギーが創りだせる訳は無い。エネルギーに何が変換されたのかが物理的解釈の要点であろう。決して『無』からエネルギーは生まれない。エネルギー(光や電気)に何かが変換するのである。その何故かが説かれなければ、エネルギーの意味が分かりはしなかろう。いつまでも同じ事(戯言と言われそうだが)を言って申し訳ない。燃える『酸素』の力とは？(2013/11/07)、   『水素』に思う (2013/09/29)など。以上理解力の弱い頭で科学常識について行けない迷い事を述べた。理論無しの、自然の真理はただ純粋の一つに因って解釈すべきだろうと創造力・妄想力を働かして描いた。それが次の絵図である。水とエネルギー流　酸素は2価、水素は1価と考えている。酸素1原子に水素2原子で丁度分子構造が安定した水H2Oになると。酸素、水素の単独では2個が対の分子を成すと。エネルギーの吸収か放出かで水と酸素、水素の関係が決定されるようだ。その辺を『エネルギー』一つで関係付けたらと考えたのが上の絵図である。『電荷』無しの『エネルギー』での解釈である。マグネットじゃないけれども、空間に粒子性のエネルギーと言えば、エネルギー円還流しか思いつかないので、結局磁石と同じような軸極性を持った物になってしまう。序でにもし『電子』と言う科学概念の解釈粒子を考えるならそれも最小のエネルギー円環流になるだろうと考える。水素は最小の原子として少し中心にエネルギー流の塊(質量化)があるのだろう。こんな研究を細々続けられるところが大学の自主体制に必要なのだと思うけれども。経済的利潤・価値を求めた競争研究だけでは、研究の幅が狭まり、延いては大学の独立性・教育力が危ぶまれる。役立たずの夢の絵図かもしれない。

電気現象、特に交流回路の電気回路解析には三角関数の数学的処理が欠かせない。波の正弦波の周期性を、時間変数に対する計算手法で算定できる意味は数学の貢献で特筆すべき事と思う。有り触れたなじみ深い三角関数はその関数の概念も分かり易さで優れている。しかし、電気現象への応用数学として使いなれているにも拘らず、本当に理解しているのかと自問自答してみた。三角関数一つを取上げてみても、そこには十分捉え切っていない部分があることに気付かされた。
指導と要領　どこかのお偉い方が決める｢何々要領｣じゃないが、指導者が何事にも疑問を持っていつも向き合っていないと大切な噛み砕いて理解する『深く易しい意味』を教えずに過ごしているように思った。それが指導の要領であろうと。教育関係機関から不要とされて、彷徨う者が言うのも可笑しな錯覚か。今頃になって、解らずにこの何年かを過ごして、今不図気付いたことがある。回路要素によって決まる『時定数』の時間概念について。その認識不足を取り上げたい。

電気回路と数式　電気回路解析に三角関数は必須である。その辺の基礎から考えてみた。

インピーダンスと三角関数が交流回路の解析に必要な基礎知識である。電源電圧が決まれば、回路動作はその回路要素の値によって全てが決まる。その三角関数による表現手法が基礎知識として求められる。

インピーダンスの計算問答　交流回路のインピーダンスは各回路要素の特性から複素関数的な取扱いをするので、『虚数』概念を用いるようだ。虚数は記号 j かあるいはi を使う。ここでは電気記号で使う記号 j とする。

上のインピーダンス表記法の虚数問題の解決法は虚数を使わない三次元空間ベクトル問題(時間を入れて4次元)として別の記事で改めて示すつもりだ。

三角関数とその意味　自分の理解している三角関数の意味を確認した。

電流と位相　電流の三角関数式の意味をまとめた。

電流と位相　電圧に対する電流波形の位相差φが回路要素によって決まる。

インピーダンスと時定数　交流回路解析では、時定数を用いたインピーダンス表現はしていないのかもしれない。しかし電気回路の要素によってその回路に特有の『時定数』があると考えた。インピーダンスはその時定数とエネルギー消費負荷要素の抵抗値とで回路の現象が決まる筈だ。

インピーダンスと時定数　R-L-Cの直列回路でそのインピーダンスは複雑な表式になる。インダクタンスもキャパシタンスもどちらもエネルギーの貯蔵要素である。その合成値は一つのリアクタンスと看做せよう。LとCのエネルギーの貯蔵機能は電源電圧周期波形に対して位相が90度ずれて、エネルギーの貯蔵と放出が反転している。エネルギーに対する機能として見た場合、差し引きの差分で回路外部には見える。だからリアクトルとキャパシタンスはその外部から見れば、エネルギーの差分の機能しかないと見做せる。だから合成リアクタンスと看做して良い筈だ。従って、エネルギーの消費要素抵抗値と周期的吸収放出の機能要素リアクタンス分との比率で回路要素全体の特性が評価可能となる。それが『時定数』の(4)式の表式である。ここで、『エネルギー』とは何かを物理現象として認識していることが基本的に必要である。

エネルギーと質量の関係　電気回路を解析する技術感覚から『エネルギー』の意味を捉えている。それは電気工学的分野からの狭い捉え方と言えるだろうか。ここに書く内容はとても気掛かりな意味を持つものである。それは現代科学理論として物理学理論の根幹を否定するような内容かも知れず、とても気の重いものである。出来たら書きたくないのだ。気体分子運動論も質量が世界の根幹を成しその運動エネルギーが温度のエネルギーの原因となっているとの解釈であると思う。物理学の『エネルギー』を論じる場合に、質量の無い『エネルギー』をどのように認識しているかが理解できないのである。しかし『エネルギー』概念をどのように捉えるかが長年科学技術と物理学理論の間の繋がりを考えて来た結果の主要な自分の論点でもあれば、やはり述べない訳にはゆかないので、ご勘弁の程。即ち科学技術と自然科学論の間に横たわる解決すべき問題に『エネルギー』概念があると思う。自然科学論は自然現象の根本原理を解き明かす本質的で、科学技術より高尚な学問と看做されて来たように思う。それが物理学理論と看做されていよう。科学技術と科学理論の間に横たわる未解決の命題だ。その本源は｢質量｣が何から構成されているかを問う問題でもある。それが素粒子論の主題となる論題でもあろう。E= m c^2^ [J] と質量m[kg] の間の根本命題である。私のつたない物理学的非専門的視点からの結論であるが。質量mが『エネルギー』から構成されているから、光速度 c [m/s] の光エネルギーに変換されるのだ。その光のエネルギーに質量が無い訳は質量の元の構成エネルギーが解放されて光のエネルギーになったからである。だから『質量』と『エネルギー』は等価で変換関係が成り立つのだ。光になった分の質量は当然姿が消える訳である。その事を『質量欠損』と言う言葉で巧く表現していると理解していたが、原子核崩壊現象の解釈を見るとどうもそうではないようにも思えて専門的解釈を理解しかねている。昭和62年に発表した『静電界は磁界を伴う』の根本命題が自然界の全ての概念は『エネルギー』に統一されると言う意味であった。電気工学技術からの『エネルギー』感覚がそう言わせて来たように思う。電気技術から電気回路の『エネルギー』がどのような意味を持っているかの、とても単純で、難しい理論も必要としない基本の問題を三角関数の計算問題として取り扱いながら考えて来ただけである。その電気回路内の『エネルギー』には決して｢質量｣を必要としないと言う結論の感覚がある。結局、質量を必要としない『エネルギー』を物理学理論で認識しているかの問題と考える。コイルに蓄えられる『エネルギー』とはコイルのどこに実在する『エネルギー』と解釈するか。コンデンサに蓄えられる『エネルギー』はどこに実在する『エネルギー』と解釈するか。その『エネルギー』はコイルとコンデンサのどちらに貯蔵されようと全く違いの無い同じ『エネルギー』である。その『エネルギー』の意味が理解されているかの問題であると考える。電流がエネルギーでもなければ、コイル電圧がエネルギーでもない。コイル電圧とコイル電流を掛けてもコイルに貯蔵された『エネルギー』は見えないのである。(4)式からLとCのどちらが優勢な機能を示すかはその合成値が『正』になるか『負』になるかで決まる。インピーダンス値は2乗するから区別は出来ないが、電圧に対する電流位相φの正負として現れる。それが次の時定数と力率角の三角関数の正弦波波形の位相関係になる。ここの『エネルギー』と『質量』の関係論は特別高度な理論を必要としない単なる三角関数式から考える電気回路内の『エネルギー』の話である。別の見方を示せば、コイル内に光エネルギー(電気エネルギー)が蓄えられ、コンデンサ内に同じく光エネルギー(電気エネルギー)が蓄えられると言う意味で解釈するのみでしかない。物理学理論を理解しているかと問われれば、高等学校の教科書の内容程度しか分からない、その分野の全くの素人の科学技術的感覚からの論でしかありません。

時定数と力率角

時定数と力率角　時定数の次元は時間の秒となる。しかし正弦波の波形上に取ると時間とは異なる不可解があった。その意味が判明したので上の図に示した。回路時定数から観る電気現象の記事を書く途中でこの記事が先になった。

(2017/07/14)追記　この記事に関連ある三角関数と回路要素の『エネルギー』について書いた。参考に電気回路要素のエネルギー(数式と意味)がある。