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ハミルトンの風車からエネルギーを観る

はじめに (またの文末の自分の恥さらしで御免なさい。憲法と市民権など全くの無知であった。権力と市民権の関係の教育を受けた記憶も無い)。ハミルトンの風車はブログの最初の科学の記事で、放電現象と電荷・電流概念(2010/08/02)にある。何故ハミルトンの風車を取上げるかには理由がある。新世界ー科学の要ーで示した静電界のエネルギー流についての解釈を早合点したようだ。訂正しなければならないと思ったからである(2017/11/07追記・修正した)。それはコイルとコンデンサの磁気ループについても訂正になる。

ハミルトンの風車

極性とエネルギー流 ハミルトンの風車を検索すると、その回転現象の解説にはイオン風と言う電荷が原因となった説明が成されている。マイナスの3万ボルト程で大きな卍型の針金が相当の速度で勢いよく回転する。しかもプラス側の電極が無いのに、マイナスを印加するだけで良く回転する。昭和40年頃の高等学校での公開実験での強い印象が残っている。1.6mmΦの屋内配線用銅線で構成した直径30,40cm風車実験結果が思い掛けずも成功したのも不思議であった。何も傍にプラス電極が無い、空間に置かれたマイナス電極の風車である。針金の先端からジーと音を立てて噴射しながら回転する。ただし、印加電圧が正極性の時はそれ程強い回転力は得られない。明らかに極性によって異なる電気現象であることははっきりしている。放電管内の流れがマイナス電極側からしか流れない事も良く分かっている事だ。その流れを陰極線と名付けたのだ。その流れる実体を『電子』と呼んで解釈するのが現代物理学理論の根幹である。『電荷と質量』を備えた素粒子が『電子』である。その電荷と質量の空間的描像も明らかに説明できないにも拘らず、『電子』と言う素粒子(レプトン)が実在し得るとの前提で構築された電磁界理論である。その電子と言う『電荷』概念への疑問を抱いたのが電磁界の新世界に踏み込む事になった原点である。ハミルトンの風車の回転現象を電子とイオンで解説されているのが常識論である。結局、電子もイオンも『電荷』と言う実在しない物理量概念で、見えないが故に、簡便な解釈で伝統的に積み重ねてきた理論体系の基礎概念となって、社会的な常識論の根幹となって来たという事であろう。今唱えたい事は電子やイオンに替わって、それに対応する『エネルギー』一つで統一的に解釈すべき基礎理論が求められていると言う結論になる。

針電極 針電極のような金属の先端を尖らせて、負の高電圧を掛けるとコロナを噴射する。それは導線に沿ってエネルギーが針先端から空間に噴射されるからと解釈する。導線周辺にコンパスを近付ければ導線を周回する向きに磁気ループが存在するだろう。それは電流で解釈すれば、それが先端部から流れ込む向きと同じ方向ではある。このエネルギー流の解釈は、電子・電流の解釈との明確な違いを説明するだけの根拠を示せないのが残念ではある。残念であるというより、目に見えないものを科学技術で自然現象を利用するように概念化して来た多くの先人の業績を讃えるべきであろう。然しながら、自然の真底に横たわる眞髄は科学技術概念の奥に隠れているのだ。それはを認識するのは各人の自然科学的感性に委ねられていると言えよう。

平板コンデンサ内のエネルギー流 そのエネルギー流での解釈は、平板コンデンサ内へのエネルギー貯蔵をどう捉えるかに、その有意性があろう。『電荷』貯蔵に因る解釈よりも矛盾は少ないだろうから。コンデンサ内でのエネルギー消費は殆ど無かろう。従って、エネルギー流は平板コンデンサ内で何らかの回転流として貯蔵されるだろうと考える。二枚の電極板に対して、エネルギー流がどのようであるか、上下二つの流れであるか、一つの流れであるかは見えないものを解釈する訳で、そこに悩ましい決断が求められる。新世界ー科学の要ーで示した解釈は二つのエネルギー流で決断した。それは下部電極表面での磁界の方向が決まるエネルギー流を上部と同じ電極表面に沿って流れ込むと解釈したからであるが、その点が少し早合点であったと反省している。それは新世界への扉ーコンデンサの磁界ーで示したように、下部電極表面でのコンパスの指示方向が電極表面に流れるエネルギー流との合成流に因ると解釈したことに因った。コンパスの磁気の意味をそのエネルギー流が原因と解釈する捉え方そのものが新しい科学的世界観でもあり、その事との関係で迷いがあったと反省している。今回上に示した図の平板間の一つのエネルギー流で解釈する方がコンデンサ内でのエネルギー貯蔵の姿としては共感し易いと言う感覚的な意味合いをも含んで決めた。誠に科学実験による検証方法という手法が採れずの感覚論で誠に不甲斐なさも抱かざるを得ないと同時に、混乱を与えたらと申し訳ないと思う。コンデンサ内のエネルギー貯蔵で、二つの流れは不自然であろうと感じるからである。以上の考えから、結論を図のようなエネルギー流で捉えた。この平板電極内の空間とその外部との関係は明確な描像を描くことはできない。コンデンサ貯蔵エネルギーが完全に電源との繋がりがなく、独立したエネルギー流になるかと考えれば、それは無いだろうと思う。その曖昧なまま表現した図である。負極性の場合で示したが、エネルギー流は電源の負側からの供給が主流になるとの解釈をハミルトンの風車から類推したことで、正極の電極板に対して少し反発する流れになるかと考えざるを得ない。それがその電極近傍でのコンパスの指示方向の原因となる貯蔵エネルギー流とコンパスのエネルギー流との兼ね合いの問題であるから。基本的にはそのエネルギー流がコンパスの指示方向・磁気ループの解釈の拠り所と考えざるを得ない点にある。

アーク・火花放電 高電圧工学と言う分野がある。それは電力系統の保全対策として、送電線路への落雷に対する対策や、支持絶縁碍子の性能向上に欠かせない研究分野である。その電気的特性は高電圧試験によって基礎研究が成される。平板電極間でのアーク放電現象はその基本観測である。電界強度の空気限界は大よそ30kV/cm位と考えられている。それ以上の電界で火花放電し、絶縁は破壊される。その火花放電現象の原因は電極間に塵などが入り込めば、その局部的エネルギー密度が高くなり、局部のコロナが全体としての放電に移行してしまうだろうと考えられる。その辺の現象を電極板の『電荷』で解釈しようとしてもなかなか難しいと思う。丁度、雷が空間の状況と水蒸気の熱エネルギーの供給・放出との兼ね合いで決まる事から思えば、電気現象も『電荷』では捉え切れない謎が多いだろうと思う。

『電荷概念の否定』の観点 伝統的科学理論が常識として世界に受け入れられてきた。正と負の対称な二つの『電荷』が世界の根源を支えていて、その『電荷』無しには科学理論を論じられない事になっている。伝統的科学の世界観で共通理解に在る社会的安定性の観点から観れば、『電荷』否定の反社会的科学論は誠に迷惑な事ではあろうと理解はしている。2000年にワープロ代わりにパソコンを購入した。雨蛙や日本カナヘビ、揚羽蝶など身近なものを眺めて、生活の術もなくただ漫然と流されて来た。科学研究の機関に所属する事も不可能な人生の状況に追い込まれた。今過去を知って見れば、職歴も書けない現実が身に染みている。退職の手続き一つした覚えが無い現実。翻弄され続けている身には日本国憲法(特に、第98条1項 この憲法は、国の最高法規であって、その条規に反する法律、命令、詔勅及び国務に関するその他の行為の全部または一部は、その効力を有しない。とあるが、その条項は何の為のものか理解できない。)が欲しい。まさか昭和14年12月1日や昭和39年4月1日に戻る訳にもいかないし、どうしたら良かろうか?平成7年7月(11月の間違い?)には、国会で事務局職員にわざわざ筆者の正面写真までお撮りいただいたので、不審者リストにでも御登録されているかも知れない。身分が不明のまま捨て置かれているかと疑いたくもなる。昭和63年2月にも国会で物議の基になったかもしれないが。当の本人筆者は何も知り得ないまま今日に至る(*1)人定証人喚問。しかし正規でなくても幾らかの現場での経験から、身に付いた電気工学の技術感覚から物理学基礎概念の意味が腑に落ちず、光の伝播現象と物理学基礎概念の実相を我儘勝手な解釈で追い求めてきた。今思う、『電荷』概念否定の感覚に間違いは無かったとそれだけは安堵した。種々雑多な内容をITの世界に恥ずかしげもなく、恐ろしさも知らず綴って来た。パソコンでの情報発信で、学会での正規の学術研究には成らないかもしれないが、専門的学術に無関係の方々にも科学の基礎とは何かと考える意味は伝えられたと感じる。どれも特別科学研究となる様な新しい事でもなく、日常生活で感じる科学感覚が基での考えを発表して来た。しかし、『電荷』否定一つが、科学理論と自然科学の解釈論に未来への課題として無視できない処に在ることだけは示せたように思う。未来に向けた、子供たちへの教育の問題として。

(*1) 人定証人喚問:昭和63年1月中頃、自宅に何処からか『長岡工業高等専門学校の健康保険証』が送付されて来た。長岡技術科学大学の電気系事務室で電気系長にこんなものが送られて来たと見せた。そんなものを持って居てはいけないと取り上げられた。その後、その保険証がどのように処理されたかを確認していない。その数日後、長岡工業高等専門学校の事務職員がやはり自宅に「未だお返し頂いてない保険証をお返しください」と封書が届けられた。身に余る不可解に対処し切れずに、無知を曝して今日まで彷徨って来た。今も不届きなへリコプターが飛んでいる。畏れ多くも国会で不届き者と人定喚問でもして、我が身の悪行の所業を解明して頂かないと死に行く人生に辻褄が付きそうもないと考えている処でございます。(2018/10/12)追記。誠にお恥ずかしい次第であります。『静電界は磁界を伴う』電気学会全国大会(1982)の発表から、脱藩したと観られる 瞬時電磁界理論の実験的検証とその意義 電気学会電磁界研究会資料 EMT-88-145 (1988) の発表まで、すべてロゴスキー電極間の静電界中の磁界模様の実験写真である。電場が磁場であることの証明写真である。電気磁気学の電荷概念を否定しなければ、この写真は嘘になる。世界の構成根源要素は『エネルギー』一つに集約される筈と、ハミルトンの風車の実験(1965年頃実施)に結びついた。

コンデンサとエネルギーと電荷

特にこの1,2年コンデンサの電気現象を考えて来た。IT検索したら、高校生などの質問があって、それに教えられた。一応高校の物理の教科内容になっているようだが、考えると中々一筋縄では答えられない。疑問だけが残る。次の二つの記事が筆者に教えてくれた質問であり、それに答える解答者の解説でもある。さすがに解答者も考えたことであろう。筆者も解答するつもりで、別の視点から考えてみよう。ただその視点が社会的な合意を得るのに困難なものであろう。科学論は一般に過去の先人が築いて来た伝統ある共通認識の基礎認識の上に、新たな発見とか深みを付け加えるもので、そこに新たな共感や賛同を得て互いに達成感を広げるものであろう。社会的な安定した常識の意識が望まれる。それに対して、筆者が述べる科学論は、伝統的な科学常識の教育に携わっている方々に違和感と嫌悪感を抱かれるような内容が多いと自覚している。だから人と融和を重んじるなら殆ど書けない内容ばかりであることも知って居る。気に障る場合はご勘弁願います。『電荷』否定とその概念矛盾認識がその原点に在り、世界の根源要素は『エネルギー』であるとの解釈に基づいているので。余りにも科学常識論からかけ離れ過ぎているから、社会的混乱と言う点で迷惑な事でもあろう。
(1)コンデンサと静電エネルギーについて 高等学校の物理Ⅱの問題を学習して、疑問を提起したものだ。理科の指導内容にはその教科特有の専門用語が使われる。言葉の意味を的確に理解することは、はじめて学習する者には難しいこともあろう。質問者がどのように理解しているかが気になる用語がある。それは『静電エネルギー』である。その『エネルギー』とは何処に在るどんなものと理解しているのだろうか。それは『電荷』でもないし『電界』や『磁界』でもない。静電容量はコンデンサの空間構造の『エネルギー』を貯蔵する容積である。コンデンサ容積内に貯蔵する『エネルギー』を『静電エネルギー』と言っていると思うが、質問者はそうではなかろう。その『エネルギー』を『電荷』で結びつけて空間に実在するように理解するのは無理であろう。物理学での『エネルギー』は電界あるいは電圧に依り受ける『電荷』の移動に対する仕事量の合計値としてエネルギー量ジュールに換算した物として教育されているから。質量に働く力と移動距離で評価する基本的『エネルギー』概念だけで解釈しているから。電気エネルギーは全く質量には無関係の『エネルギー』なのである。光と同じ『エネルギー』なのである。『電荷』があると、どこに『静電エネルギー』が実在すると言うのだろうか。『電荷』の中に在るのだろうか、それともその周りの空間でしょうか。それは教育者側に問う『問答』でもある。結局『電荷』や『電子』の具体性が曖昧なまま、その存在が科学理論の複雑な絡み合いの中に常識化されている処に問題があるように思う。

電荷と静電エネルギー 『静電エネルギー』とはどんな意味で解釈しているかを、筆者の理解する内容で確認したい。物理の教科を教えた事もなく、間違っていると悪いので基本的認識を図に依って考えたい。先ず『静電エネルギー』とは『電荷』が持つエネルギー(?)と理解するのか?『電荷』でなくて空間が保有する『エネルギー』なら大いにその解釈で結構なのだが、どうも物理学理論から推論するとそうではないようだ。『電荷』と言うのも実際は『電子』等に付帯したものとしての、それが持つ『電荷』量という意味で解釈すれば良いのだろうと思う。教科書理論では『電荷』が単独に存在すると言う、質量の無い独立した概念とは捉えておらず、質量に付随した概念として解釈されているようだ。だから『電荷』と言う時は、それは『電子』か『イオン』かの意味で捉えて良かろう。図は中心に『電子』の抜けた原子の集まりで+Qクーロンの原子集団があるとした。現実にはプラス電荷同士が集まるのもクーロン力から考えればなかなか理解し難いのだが、大目に見ておこう。さてそのプラス電荷が空間に存在した時、周辺の全空間には電気力線と言う電界の歪み空間を作り出すと考えて良いのだろう。それが教科書の電界の意味であろうから。全空間の中心が張る立体角は4π[st.rad.(ステラヂアン)]である。半径r[m]の球表面は電界強度E[V/m]のベクトル空間と看做す。そこに何か『電荷』があれば、その電荷には中心の電荷+Q[C]に依る力が働く理論に成っている。それは遠隔力か近接力かも考える必要があるが、先ず空間の電場と言うものをどう解釈するかであろう。その空間は電界があるが、『エネルギー』は存在しないと解釈するのかどうか。空間に『エネルギー』があると解釈すれば近接作用力が有力になるが、教科書のようにただ電界を抽象的に捉えているなら遠隔作用力とする見方になろう。筆者は電界が在れば、それはそこに『エネルギー』が存在することと同等であると解釈するがそれはここでは伏せておく。元々電界なる概念の実在性も理解できない筆者であるから。前置きはそれくらいにして、『電子』に掛かる運動を考えてみよう。『電荷』だけでは運動に依る『エネルギー』の意味を捉えられないのが物理学理論(単位[eV]の概念問題もあるが)だと思う。必ず質量が無いとエネルギー論は成り立たないように思う。『電荷』には力が働いても運動方程式の加速度α[m/s^2]が生まれないから。どうしても質量にお出まし頂かなければならない宿命にある。『電荷』だけでは無理でも『電子』の質量に依りエネルギー論が可能になる。そうするとまた困ってしまう。よく無限遠から『電荷』をその位置まで持って来るにどのような仕事をするかとなる。その仕事がエネルギー論には欠かせない。仕事の解釈は力によって質量を動かした時、力ベクトル f [N]と移動距離ベクトル r [m]のスカラー積で仕事量のスカラーw= fr [J] で捉える。その仕事量は質量を動かすことに使われた消費エネルギーである。普通消費エネルギーと言う場合は、その『エネルギー』は熱として空間に放射される感覚で捉える。しかし、仕事量の幾分(1/2?)かを質量の『エネルギー』増加に変換する場合もある。そこに、電磁気学理論での『エネルギー』のもう一つの単位に[eV]がある。特に素粒子物理学理論等で『エネルギー』と言えばジュールでなく[eV]の単位で解釈するのが一般的である。それは一つの『電子』の電荷量が電界空間で移動した時に『電子』が得ると考える『エネルギー』の量を基準単位とした評価量であると解釈するが、間違いだろうか。その場合、『電子』には質量が在るから電界に因る力で、質量の加速度運動が起こるから『電子』の移動が可能であり、最終的にその質量の運動エネルギー分はどのように[eV]のエネルギー量の中に認識すれば良いのだろうか。[eV]の単位が表現する『エネルギー』の中味は『電荷e[C]』が電位差V[V]間を移動しただけで『エネルギー』を獲得する様な表現単位に思える。しかし、その[eV]単位がコンデンサの電極版間での『電子』などが保有する『エネルギー』に結びつくのか理解が難しい。『電荷』だけのそこには質量の運動力学の基本原理の加速度が見えない。実在物体を移動させる力とは質量の慣性に掛かる加速度を評価した物理学運動原理と思う。そのように質量を伴わない『電荷』のみを移動する運動エネルギー論は物理学理論には無いと思うのだが、その解釈は間違っているだろうか。このエネルギー単位[eV]で思考を整理するためエネルギー単位[eV]を尋ねてに別に取り上げた。さて、質量を伴う『電子』を対象に仕事を考えてみよう。図では、電界に因る力が『電子』に掛かれば、『電子』は加速運動をすることになろう。無限遠からrの位置まで力が掛けられれば、加速度によって相当の高速度運動に成っているだろう。それが力と運動の基本的解釈ではなかったか。そこで、その『電子』の持つ『エネルギー』は如何程と解釈すれば良いのだろうか。再び『静電エネルギー』とは何が持つエネルギーのことか?を考えてみよう。それはコンデンサと言う二枚の対向金属電極に因って構成された空間がその静電容量と言う単位ファラッド[F]の機能の基を成すものである。その空間が空気か誘電体材料かに因って機能の強さに差が生まれる。『静電エネルギー』はどこにどのようにして得られて、何が保持する『エネルギー』と解釈すれば良いのだろうか。『エネルギー』をコンデンサに蓄える仕組みは電気現象として如何なるものであるかと言うことである。このような設問形式で、問いながら考えることは高校生が初めて考える内容としてはそう難しい事ではないだろう。数式で解説している訳でないから、意味を汲んで貰えないかと思った方法だ。何が言いたいかと言うと『静電エネルギー』とは結局具体的にどんな『エネルギー』と理解しているかと言うことであり、曖昧であっては論理の物理には成らないと言う意味を理解して欲しい。誠に難しい教育の社会的問題を論じる様なことになって、読まれる方に申し訳ない思いもある。真理・真髄あるいは哲学とは社会的混乱でもあるのかと?生徒、学生にはこの問題に対処する方法は無い。教育する側、学力試験・入学試験を実施する側に考えて欲しい事だ。ようやく問題の核心に話題を絞ることが出来る。コンデンサの充電現象についての物理的(物理学教科書的ではない)解釈に入ろう。それは『電荷』概念に因るコンデンサ充電問題における矛盾についての考察である。その基本的観点は電気現象がすべて『光速度』の現象である点であろう。

コンデンサ充電現象の意味-『電荷』と光速度現象― 質問者のコンデンサ充電現象の話に入ろう。一定電圧の電源とコンデンサを繋いだら、どんな現象が起こるかが基本の話になる。先ず電気現象はすべて『光速度』の規範の基に在る。そこで、コンデンサ充電とはその電極板のプラス側とマイナス側に相反する『電荷』が集積された状態として理解しているだろう。物理学教科書の『電荷』の現象として考えてみよう。質問者は電源にコンデンサを繋いだ瞬間にコンデンサ電圧が電源電圧になると解釈しているのだろうが、それは止むを得ないことである。電源とコンデンサを並列に接続する図を想像すれば当然である。しかしその電気現象の本質を理解する事には初学者には無理があるのだ。元々教科書が光速度で電気現象を理解する教育内容になっていないのだから。その辺を捉えないとエネルギーが半分になると思うのも当然で、そこに誤解の意味の原因があろう。

図2.コンデンサ充電現象 どんな電気現象も過渡状態では、単純な回路要素で表現できるほど簡単ではない。ただ直流電源にコンデンサをスイッチで接続しても、コンデンサの電圧が瞬時に電源電圧になる訳は無い。それは現象が光速度の遅れを伴うことと、回路周辺の空間がその現象の伝達に影響を及ぼすからである。それは漏れインダクタンスとか抵抗などで表現する事も出来るが、決まった値ではない要素値であろう。厳密な方程式では表現できない。電流と言う技術概念量(is,ir)を考えれば、現象の光速度伝播から、それも電源側と負荷側では厳密には同じ量ではない。ここでコンデンサに充電される『電荷』と言う概念量に基づいて、その充電機構やコンデンサ電圧と『電荷』との間の物理的意味を考えてみよう。コンデンサのプラス電極とマイナス電極の『電荷』の分布を決める原理とその充電機構をどう解釈するか?プラス側のプラスの『電荷』は原子イオンが集まる訳ではないから、電極板から『電子』を引き抜き、電極板金属原子のイオンが残ると考えるのだろうか。その現象も電源側のスイッチSから始まって、コンデンサ端子に現象が伝わることになる。その時導線内にどのような電界(電荷分布に因る)が生じ、『電子』を引き抜く現象が起きるのだろうか。その引き抜き現象が終端のコンデンサまで伝播する様子をどのように解釈できるだろうか。次に、マイナス電極のマイナス『電荷』は電源の負側導線を通して『電子』が流れ込むと考えるのだろうか。そのマイナス側でも同じ意味での光速度伝播現象の解釈が要求される。単純に『電荷』が充電されると言う現象でも、その論理的解釈法を理解するにはとても難しい。『電荷』に因るコンデンサ充電現象はどんな原理で可能か?蛇足であるがもう少し述べたい。『電荷』移動は図1で考えたように電界E[V/m]が無ければならない筈だ。『電荷』は電線導体内を流れると教科書では説明されているから、電線内に電界が無ければ『電荷』は動かない。電源端子の電線内とコンデンサ端子の電線内とでは、同時に光速度を超えて同じ現象には成らない。導線内の単位長さにどんな電界が発生すると考えれば良いか。その電界の発生原理が明確に示されなければ、コンデンサを充電する『電荷』の移動を説明できない筈だ。図1でも述べたように、『電荷』では質量が無いから運動論には適さない。だから『電子』の質量をお借りして、『電荷』だけで良いのに質量まで組み入れた論理となる。コンデンサ電極には『電子』の『電荷』と『質量』を共に充電しなければならない論理になる筈だ。そこで考える、電線内の電界の発生が論理的に解説できるか。どのように電界が発生するのだろうか。抵抗降下電圧とは意味がまったく違うのである。電界と抵抗降下が同じでは、結局『電子』を動かす電界が無いと同じ事である。『電子』『電荷』を動かす電界は『電荷分布』に因ってしか図1の電気力線は説明できない筈だ。導線内に電荷分布に因る電界発生原理を示せなければ、『電子』移動の説明にならない。その『電荷』分布による導線内の電界発生の説明が出来ないなら、図1で論じた電界と『電荷』移動の意味は無用な事になる(本当は『電荷』など存在しないから意味は無いのだが)。『電荷(電子)』は加速度運動方程式に因って力を受けて初めて移動すると言うのが物理学の電気現象の原理の筈であろう。ローレンツ力の磁界加速は円運動で加速すれば中心に螺旋運動してしまう。磁界加速は今回の問題には無関係だ。電荷分布に因る電界しか『電子』は移動できない教科書理論の筈ではないでしょうか。

『電荷』とクーロンの法則 電極板に『電荷』が溜まるとは、どのような電界強度分布から可能なのだろうか。クーロンの法則は同じ極性の『電荷』同士にはその距離の2乗に反比例した排斥力が働く筈だ。どのようにクーロン力を打ち消す力が働くのか、その原理を示すことが理論の物理学としては欠かせない筈と思う。それは摩擦に因る『電荷』発生の解説が古くから受け入れられた解釈手法になっている処に原因があるようにも思う。クーロン力の強さを決める変数が距離と言う科学論の意味を是認するなら、『電荷』集合に対する力の論理的解釈法が示されて初めて電極板の『電荷』分布が論じられると思う。クーロンの法則を超える『電荷』集合の原理が。

静電エネルギー さていよいよ『静電エネルギー』とはどのような電気量で、どこに存在すると解釈すべきかを考えよう。電極板の『電荷(電子あるいは原子イオン)』を素に解釈するとすれば、その『電子あるいは原子イオン』が保持する『エネルギー』と言う意味で捉えるのか。極板に在るそれらの電荷対象は何処で『エネルギー』を保有して、どのような違いを前後で得たのか。『電荷』が『エネルギー』を保有するとはどのような『電荷』の様態の変化を生じると言うのか。『電子』が『エネルギー』を保持したり、失ったりする場合の『電子』内に起こる変化はどのような事で理解するのか。そのように考えた時、『電子』そのものに『静電エネルギー』の保持や消失の責務を負わせるのに矛盾を感じないだろうか。理論的とは、理屈の筋が通っていなければならないのである。矛盾が少しでもあれば、それをそのまま有耶無耶にしてはいけない。しかし、すぐに解決できる場合は余りなかろう。その時こそ、その矛盾を忘れずに何時か解決する時を待つ心掛けが欲しい。『電荷』が『静電エネルギー』を持つと解釈できるだろうか。式での W=CV^2^/2 [J] のV^2^[J/F]([V]=[(J/F)^(1/2)^]であるから) にその責務を持たせる以外ないように思う。『電荷』の次元[C]を『エネルギー』に関係付けて表現すれば、それは[(JF)^(1/2)^] となる。この『電荷』の意味と電圧の意味とをどのように『エネルギー』に関係づけられるかと言う問答になろう。コンデンサの静電容量C[F]は『エネルギー』を貯蔵する機能強度を表現しているが、『エネルギー』を貯蔵する空間的容積ではない。もし『電荷』が『エネルギー』を保有すると言うならば、プラスとマイナスが電極板に向き合う事の貯蔵効果は何なんだろうか。
(2)静電エネルギーの半分はどうなる? 上の(1)に続いて同じ問題であるが、この問題には『電荷保存則』と言う面の意味が強いと思う。質問者の解釈と疑問は至極当たり前の内容であろう。その質問に答えることはまた難しい。『エネルギー』が半分になるが『電荷』は保存されるという前提に在る。電圧が最終的にVになると言う事を実験的に検証できるだろうか。即ち『電荷保存則』が成り立つか?『電荷』の存在を否定する筆者が考える方向は決まってしまう。しかし、最終電圧がどうなるかに残念ながら答える能力もない。その辺の事情を電気現象としてどのように考えるかを述べたい。

電荷保存則と電圧 『電荷』と電圧は電気理論の根幹を成す密接な関係に在る。電圧は電圧計で計測できる。『電荷』は決して測定できない。コンデンサの静電容量は空間的構造体として定義されている。だから電圧が測定できれば、『電荷』は判定できるとなる。しかし、『電荷』が何ものかを確認はできない。『電荷』と考えている物が『熱』と同じ『エネルギー』だなどと言えば科学常識に反する。質問者の求めに答えようとすれば、図3のようにまとめるしかない。科学は実験的に検証しなければならないと言われるが、最終電圧がどのようになるかを計測する方法が筆者には思い付かない。『エネルギー』は電線路空間内で過渡現象の複雑な経過を経て落ち着くであろう。方程式を解く能力が筆者には無い。計測は必ず『エネルギー』を消費しなければできない。『エネルギー』だけが消失して、『電荷』が保存される理由が分からない。

まとめ 電気回路としては極めて単純なものでありながら、その現象を理解しようとするととても難しい事を改めて教えられた。『静電エネルギー』一つの技術用語さえ、長く伝統的に使われているのに、確信を持ってその実像を質問者に示せない。数式で表現される内容の奥に隠された真理はなかなか見え難い。今でも理解できないコンデンサ静電容量の物理学的・電気磁気学的解釈がある。電極版間のギャップが小さくなれば成る程静電容量が大きくなるとはいかなく意味か?ギャップの限界と『エネルギー』の流動模様に関係するか?

電荷概念とクーロン力 電気物理の最初の概念が『電荷』であろう。電気を論じるすべての基礎が『電荷』である。その基礎が理解できない、納得できないと疑問の中を彷徨って来た。高校生の質問がもう一度『電荷』の意味を問う機会となった。まとめとして、『電荷』とクーロンの法則そして電荷の『エネルギー』の関係を図にまとめて見た。コンデンサの電気現象の図は電極にプラスとマイナスの『電荷』が向き合って集まる解説から始まる。――今(2017/09/01/am:9.30)ヘリコプターが酷い騒音を撒き散らしている。誰の仕業か?――筆者は先ずその基から理解できない事に気付いたのが今から30年程前の事であった。クーロンの法則を斬る  に述べたが、コンデンサの電極に同じ極性の『電荷』が集電荷するには相当のクーロン力に因る排力が働く。その排力に逆らって同一『電荷』が集荷する理論的根拠が欲しい。そのクーロン力に逆らう力が示されなければ、コンデンサの『電荷』模様の解釈は理解できないのではないか。もう一点気付いた。『電荷』の『エネルギー』の意味である。(1)プラスの素電荷2個とマイナスの素電荷1個が電気力線の電場内で、一点に集荷した。図1の解釈から、その場合の集合電荷の『エネルギー』は如何程と解釈すれば良いのだろうか。同じく(2)のマイナス素電荷が3個集合した場合は、その総合『エネルギー』は如何程と解釈すれば良いのだろうか。(3)はとても不思議な未解決の『電荷』概念の問題である。プラスの電荷とマイナスの電荷が合体したら、『電荷』はどのような結果になるのか。プラスとマイナスの二極『電荷』概念の根本的問題に思えるのだが、高校生も不思議に思わないのだろうか。『電荷』は消えるのかどうか?

現時点の纏めとしては、『エネルギー』でなく『電荷』を電気現象の基礎概念にしている限り、残念ながら質問には答えられなくて御免なさい。

LとCと空間エネルギー

電気回路には回路要素のLとCがある。インダクタンスLもコンデンサCもエネルギー貯蔵要素だ。インダクタンスLの値はその形状と寸法で決まり、「長岡係数」と言う係数もある。コンデンサCもその形状と寸法で値が決まる。勿論それらの空間環境を占める磁性材料や誘電体材料によって大きく影響されることは当然である。

形状と寸法で決まる訳は何か 時定数から観る電気現象で『問答』にしたL,Cとの関係についての参考記事でもある。電気現象の本質がすべて導体や誘電体、磁性体とその近傍における『エネルギー』の振る舞いによって様々な特性を表すことに在る。すべては空間のエネルギーの存在形態として見ることも出来よう。だから『エネルギー』の貯蔵空間の意味によってインダクタンスとかコンデンサとかの電気要素で捉える分け方になると言えよう。ただ『エネルギー』の量がその要素の空間の大きさで決まるのか、その形状を構成する空間の何が大きく影響を与えるかなど不明な事も多い。そこで、回路要素の形状と機能を『エネルギー』から考えてみよう。

空間エネルギーとは? あまり馴染みのない用語かもしれない。物理学理論には質量を伴わない『エネルギー』の存在、その概念があるのかが分からない。世界は『エネルギー』から出来あがっていると思えるから、物理学理論が理解できない。筆者の頭脳の能力が劣っていると言われれば止むを得ないが。周りを見渡せば、光が世界の姿を教えてくれる。その光はどんな素粒子から出来ていると物理学では考えているのだろうか。太陽から届く光の『エネルギー』は何からできていると考えているのだろうか。その身の周りに在る全てのエネルギーが『空間エネルギー』の姿であると言うのが筆者の考えである。電線路を伝送される電気の『エネルギー』も星から届く星座の光もすべて空間を通って流れる『エネルギー』の姿である。それら全てが『空間エネルギー』である。電熱器のヒーターが熱い熱源として働くのも、白熱電球のヒラメントが光源として働くのも、いわゆる抵抗体の内部に『エネルギー』が蓄積され、その貯蔵限度を超えた『エネルギー』が空間に放射されるだけの現象でしかない。質量のタングステンヒラメントの内部は空間構造を成していると看做せて、そこに『エネルギー』が貯蔵されているのだ。それも含めて『空間エネルギー』と言える。電気回路要素のコイルやコンデンサも『空間エネルギー』の貯蔵空間を構成している構造体である。ただコイルやコンデンサは抵抗体と違って、貯蔵した空間エネルギーは外部空間に放射はされず、必ず電気回路内の空間を通して、電源に回生される。だから基本的にはエネルギーの消費はしない。『エネルギー』を処理しながら、消費しないから結果的に利用されない無効の『エネルギー』なのである。その電力が無効電力と言われる訳である。放送電波や携帯情報端末で取り入れる電波はその電波の波長に同期する共振回路で、空間エネルギーの縦波を取り込み、コイルやコンデンサ内の『エネルギー』を選別して利用している毎日である。空間を『電荷』が光速度で飛んでくる訳では決してない。光の縦波の『エネルギー』が空間と共鳴状態(誘電率と透磁率)で伝送されているだけである。みんな空間エネルギーである。

回路要素と空間エネルギー 空間を電気技術から観ると真空透磁率μoと真空誘電率εoと言う基本定数によって解釈する。空間に存在する『エネルギー』は電気技術的観点から解釈すれば、必ず透磁率と誘電率と言う定数によって判断するように習慣づけられていた。その空間定数と同じ観方で、LとCを捉える。真空透磁率や誘電率が自然の眞髄から観れば、その深い哲学的な意味までは理解できないでいる。一つの自然解釈法の基準定数として理解しているに過ぎない。その観方からすれば、インダクタンスと静電容量のエネルギー貯蔵機能も統一的に解釈できれば良いと思うが難しい。

LCとエネルギー LとCおよびRの違いは何だろうか。先ず初めにはっきりさせておきたい事がある。導体のエネルギーに対する解釈である。一本の導線を張れば、その空間に今までと異なる影響を生み出す。エネルギーが基本的には導体を反射体として捉えるだろう。導体の中に侵入すればおそらく熱エネルギーとして消費されるだろう。極端な例が『超伝導体』である。エネルギーロスが無いと言うことは超伝導体が完全反射体であるからである。逆に抵抗体は極めて効率良く空間エネルギーを内部構造体の中に取り込み熱エネルギーとして貯蔵する特性を持った要素と看做せる。貯蔵限界まで蓄えた結果温度が上昇し遂には放射源となって発光、発熱作用現象を呈する。抵抗体の単位を[(H/F)^1/2^]と評価したのも、エネルギーに対する空間の意味を統一的に捉える観点からである。科学技術法則の単位のΩの優れた点とは別に、自然の物理的、より深いつながりを重視した一つの解釈法でしかないが。LとCについては個別に考えてみたい

Lと空間エネルギー リアクトルと言う用語は電力技術用語かもしれない。それは電力用誘導性コイルと言う意味で捉える習慣だ。リアクタンスはコイルとコンデンサの両方に使う用語だが、電力技術では主に誘導性のコイルが主要な回路要素であるために、その用語を代用したのかもしれない。インダクタンスよりリアクトルと言う使い方が馴染みやすい。変圧器もモーターも殆ど鉄心がその主要な構成材となっている。銅線以外は鉄で出来ていると言えよう。電気磁気学のインダクタンスと言う概念と感覚的に電力技術での捉え方には違いがあるかもしれない。『空間エネルギー』の解釈には、リアクトルと言う鉄と銅線から構成された電力機器が頭に浮かぶ。そこでリアクトルと言う捉え方で、電力用インダクタンスLの意味を考えてみよう。

(L-1)ギャップとインダクタンス E I 型鉄心を用いて、コイルNターンを二脚に巻いた。鉄心EとIの間にギャップgがある。そのギャップ寸法が電気要素としてのコイルのインダクタンスにどのような影響を及ぼすか文献(1)が参考になろう。ただgの寸法がインダクタンスLにどんな関数関係で影響するかは、その意味が明確ではないように思う。『空間エネルギー』が鉄心ギャップ部分に集中して存在する事が大きくリアクトルの特性に影響を及ぼしていることは間違いない。ギャップgが小さくなるほどLは大きくなる。しかしg=0ではリアクトルとしての機能は果たせなくなる。インダクタンスL=∞となるから、エネルギー貯蔵機能は無い。それは変圧器となるから。序でに考えておこう。モーターも重い外側の固定子と回転子との間のギャップがエネルギーの存在する大事な空間であり、ギャップ空間エネルギーの振る舞いを動力発生の原理に解釈を広げられれば、物理的『空間エネルギー』の電気現象の役割がはっきりするであろう。若い方に挑戦して欲しい。

(L-2) 変圧器等価回路 鉄心間にギャップがある変圧器は漏れ変圧器と言う。ギャップ空間にエネルギーを貯蔵する機能でリアクトルと漏れ変圧器は同じ意味で捉える事も出来よう。そのギャップg=0ではインダクタンスL=∞で、リアクトル電流は流れ得ない。エネルギー貯蔵機能も無くなる。変圧器等価回路では、相互インダクタンスMとして評価される。1次、2次負荷電流の相互関係を解釈する為にはMが便利であるからであろう。しかし、変圧器の励磁電流と磁束概念の伝統的解釈法では、磁気特性の非線形性をうまく表現し難い点があろう。それは磁束が励磁電流によって発生する訳ではないと考えなければ解決できない現象である。ファラディーの法則の微分形式には電流と磁束の関係は何も表現されていない。微分形式を積分形式で表現すれば、巻線コイル1ターン当たりの電圧の時間積分で磁束φは評価すれば良いだけである。もし励磁電流で磁束を解釈するなら、非線形回路を書き加える便法もあろうが、余り意味は無かろう。しかも磁束さえも技術的解釈概念である訳で、結局は空間エネルギーの一つの観方でしかないと考える。しかし、その磁束概念は磁気現象を解釈するには大変便利で有用な概念であることには間違いないものである。さてリアクトルの『空間エネルギー』であるが、コイル巻線の導体周辺に分布していると考えざるを得ない。電圧概念が元々空間のエネルギー分布の技術的評価概念であると観れば、その解釈法も理解し易かろう。インダクタンス値がコイルの1ターン長さに因るだろうと言う解釈も、鉄心最大磁束密度Bmと鉄心断面積の積φmと言う設計基準の解釈法とも通じていると理解できよう。V=4.44fNφmの意味もコイル1ターン長との関係で理解できよう。

Cと空間エネルギー リアクタンスの一つにコンデンサがある。コイルとはその構造も空間材料(磁性体に対して誘電体)も全く異なる。同じ電気のエネルギーの貯蔵機能要素である。伝統的には実在しない『電荷』概念で評価している。このコンデンサの静電容量と形状の関係が先の記事の『問答』の解答ともなる訳であろう。コンデンサ容量はその電極間の面積に比例し、電極間のギャップdに反比例すると解釈されている。面積一定のままで、ギャップ寸法dを狭くしたら静電容量が大きくなるのだろうか。極限はギャップ零に近付けることになる。ギャップd=0は丁度電気回路のスイッチを投入したような状態となろう。それはもうコンデンサとは無関係の状態である。空間エネルギーを保持する状態ではなくなる。コンデンサ容量Cはd=0で定義式では無限大となるがそれは意味の無い事である。コンデンサのリアクタンスXcで考えれば、d=0でXc=0となって、インピーダンスにおける意味に矛盾は無くなり理解できる。『問答』のKとの関係も理解できよう。以上がコンデンサの寸法についての解釈としよう。さて、リアクトルと同じように少しコンデンサの機能についてその物理的(物理学教科書的ではない、学習指導要領的ではない)意味を考えてみよう。

電線路とコンデンサ機能 ある配電線路の終端にコンデンサだけを負荷としてつないだ回路を考えてみる。今までも何度か電圧の意味の考え方は述べて来た。その意味をコンデンサ負荷との関係でもう一度整理してみよう。電線路については分布定数回路と言う観方が高周波で採られる。それは何も電圧の周波数に因ることではなく、すべて電線路はエネルギー伝送から観れば、回路としてはコイルとコンデンサの分布回路と観なければならない。電源電圧が正弦波とすれば、瞬時的には電線路全体がその電圧の変動回路となる。何が電線路の電圧の原因を成しているかと言えば、その電線路空間の『エネルギー』分布である。電源から負荷までの電線路空間が電源電圧の瞬時値に対応したエネルギー分布で平衡状態を保持するように、空間を『エネルギー』が自動的に伝送されるから有効な電力伝送設備が可能なのである。それは『エネルギー』の自然界の現象で、光速度伝送する自然現象の御蔭なのである。その自然現象を科学技術概念で便利な捉え方で利用している訳である。上の図で電線路終端のコンデンサ負荷では、電源電圧の変動に対して、光速度での遅れは伴うが、電源電圧に対応するべくコンデンサ内のエネルギー分布を確立するための、エネルギー貯蔵で機能する訳である。コンデンサの電極板導体の面積が広ければ、その面積全体に亘って電圧vcに対応するべくエネルギー分布を行き渡らせなければならない訳だから、多くの『空間エネルギー』を貯蔵する必要がある。そのエネルギー貯蔵に於いては、コイルのようなエネルギー入射を妨げる作用は無いから、極めて瞬時に電圧変動に対応して、素早い応答で機能が発揮される。コンデンサの電気要素としての感覚的認識にはそんな意味で納得できるだろう。誘電体に強誘電体材料が使われるが、その材料のエネルギー貯蔵特性には時間的遅延性などがあるため、特殊な特性を示す面もあろう。最後に付け加えておこう。電源電圧の極性と電線路の『エネルギー』伝送空間について。図に示したような電源電圧の『極性』は(+)、(-)で馴染んでいるから分かり易いと思うが、本当はその『極性』とは何かと問えば分からない筈であるにも拘らず、理解され易いと言う科学技術の恩恵(?)がある。しかし実際に『極性』と言える意味の電気現象に差が存在する事も確かな事であるから、それが『何か?』と疑問に思う。今から丁度7年前に、記事を元のSpaces.live.com/に投稿させて頂いた。その科学論の最初の記事が放電現象と電荷・電流概念である。放電現象は電気現象の意味を解く最初の研究対象でもあったとも見做されよう。そこで『陰極線』と言う得体の知れない流れがあると見做した。(+)側からは流れない事を知った筈だ。その『何か』が流れ出る側が(-)側であると。その応用が三極真空管の熱陰極線の空間電荷制御法になった。乾電池、蓄電池の電源も(-)側が『エネルギー』供給源になっているようだから、交流回路の電線路の『エネルギー』流も(-)側にその流れがあると解釈して良かろうとの判断である。その流れは光の流れと同じだから、科学の論証に従った実験的に検証する方法は考え付かない。

不適格な科学論か? 上に述べた事を含めて、殆ど科学者の検証に耐える根拠が示されていない。それにも拘らず、『電荷』否定から始まった記事は殆ど数学的解析式などもなく、ただ日常用語で『エネルギー』の電気現象における振る舞いを感覚的に納得できる意味を述べさせて頂いた。科学論らしくなくて御免なさい。

文献(1) 大学講義 最新電気機器学 宮入庄太著 (丸善)   p.53~

 

電気回路要素のエネルギー(数式と意味)

電気回路要素と言えば、コンデンサ、コイルおよび抵抗が浮かぶ。いつものように研究と言えるものではないが、教科書の電気回路論の基礎を少し深く考えてみようと思った。『電荷』の概念を否定する視点から、回路要素における『エネルギー』の意味を考えてみよう。黒板にチョークで板書しながらの講義の心算で、進めてみよう。実は、コンデンサの強誘電体特性について、電気回路論の従来の要素解釈では理解困難であることに気付いた。その事が基に在って書きだした。即ち、『電荷』による誘電分極という解釈に無理があると考える。その事からエネルギー貯蔵要素の機能を根本から考えてみようと思った。内容は教科書の中味の話でしかないが、科学・理科教育という面からは大切な問題を含んでいるだろうと考える。

線路の回路要素と電力 街中の配電線路に電気回路要素が繋がれているとする。

回路要素とエネルギー電線路の要素エネルギー 電線路には電源から電圧というエネルギー密度分布の規模でエネルギーが供給されている。回路技術論としては電圧、電流で誠に巧い概念構成が理論的に構築されている。回路要素で基本的には『エネルギー』の処理が問題なのであり、電流や電圧が欲しい訳ではない。その回路要素の『エネルギー』の状態を理解する必要があろう。理論的に評価するには数式で表現する手法になる。

電圧と電力電圧と電力 電圧という電線路空間内のエネルギー分布の場に回路要素を繋げば、その要素にその場の空間からエネルギーが供給される。交流電圧であれば、空間エネルギー分布も電源周期に従って、常時変化する。コンデンサやコイルの場合は、内部損失がなければ、電源周期に従って要素と線路空間の間で『エネルギー』の吸収・放出が繰り返される。それに対して抵抗の場合は、内部に吸収されたエネルギーは線路空間にエネルギーが戻されることなく、すべて熱や光として変換消費(動力機械ではモーターなどの等価抵抗負荷分の消費エネルギーとなる)される。図①の抵抗のエネルギーWr[J]に?を点けた。抵抗体には内部貯蔵エネルギーを評価する方法はないだろうと言う意味である。

電力と貯蔵エネルギー 回路要素の貯蔵エネルギーは線路電圧とその周期によって決まる波形に依る。正弦波電圧波形で、波高値V[v]、周波数f[Hz]、角周波数ω[rad/s]とする。

コンデンサ、コイルの電力コンデンサ、コイルの電力

抵抗の電力抵抗の電力

電力と供給エネルギー供給エネルギー 電力の積分で供給エネルギーが計算されるだろうと式で表した。各エネルギーwc,wlおよびwrは単位[J]である。数学的には不定積分で、積分定数が必要と指摘される。積分定数の意味は実際の技術計算では殆ど意味を持たないとしか言いようがない。三角関数による表式の意味を波形上に示そう。

コンデンサの関係波形

コンデンサのエネルギーと式コンデンサの関係波形 ここでは各波形の形状だけを示すので、大きさ・振幅は1とする。コンデンサの貯蔵エネルギーWc[J]は当然ながら負の貯蔵エネルギーということはない。それは図の青い色の波形になる。

コイルの関係波形

コイルのエネルギーと式コイルの関係波形 (漢字の式の字に間違い)この図には、コンデンサの場合も同じく、多くの問題がある。電源電圧v=Vsinωt において、時刻t=0の時間基準は書けないのである。回路電圧に対して、回路要素をスイッチオンして接続してから、どれ程の時間が経過したらこのような定常状態に達するかを計算できないのである。だから無限の時間経過後の波形である。それは微分方程式を解く段階で、電源電圧周期のどの時刻にスイッチを投入するかで過渡現象が変化する筈であるが、それは微分方程式では答えが得られないのである。従ってコイルの貯蔵エネルギーWL[J]を算定するには、定常状態の電流値il[A]に基づいて計算する以外ないのである。それでは、電力の積分で計算した結果のwl[J]は波形では、cos 2ωt のように、コイルの貯蔵エネルギーが正負に振動する結果になってしまうが、求める結果でない。このwlは、cos2ωtの正負の脈動波形でコンデンサと同じく求める貯蔵エネルギーが負になる筈がないから、貯蔵エネルギーではない。求める貯蔵エネルギーは青色のWLの(cosωt)^2^の波形である。

抵抗のエネルギー 抵抗体はコンデンサ、リアクトルとは異なったエネルギーの意味を持つ要素である。エネルギーを内部に取り入れる点では同じであるが、その内部で熱の形で貯蔵し、電源に回生・返還することはない。

抵抗のエネルギー抵抗のエネルギー 抵抗への電力は時間積分で、消費エネルギーが単調に増加する意味になる。

電気現象解析における数式の意味 ⑥、⑦の波形で、電力の不定積分wcおよびwlは一体どんな意味を表現していると解釈すれば良いのだろうか。数学的な計算処理によって得られた結果は数学的に自然現象を説く鍵になっているのだろうか。最近『電荷』概念を否定せざるを得なくなって、『クーロンの法則』で表現する数式の意味にどれ程の自然現象解釈の有効性があるのかと、数式の論理性を疑わざるを得ない心境になってしまった。身近な電気現象解釈に数学的解析手法がなくてはならないことは確かである。それ以外に理解の手助けになる便利な方法がないのである。数学は自然解釈に金科玉条的な、特別の優位性で取り扱われるようであるが、数学で『電荷』の存在を証明できる訳ではないことを考えれば、自然に向き合う場合の数学的意味合いを考え直してみたくなった。さて話を元に戻して考えよう。エネルギーwc、wlの不定積分式は電気現象としては殆ど何の意味をも表していないようだ。回路要素のコンデンサ、リアクトルの貯蔵エネルギーの任意の時刻における瞬時値は、Wc=(1/2)v^2^/C   および  WL=(1/2)L il^2^の電気現象解釈法を知っている事によって理解認識している。このエネルギーの瞬時値についてもそれを直接『エネルギー』として観測する方法はないのだろう。この式で表される貯蔵エネルギーは決して負には成らない訳で、不定積分の式の意味とは違う。

電力の定積分電力の定積分 不定積分の下端(積分の始点)の時刻t0の選び方で、それぞれの要素の貯蔵エネルギーになることが分かった。確かにこのように定積分を求めれば、貯蔵エネルギーの瞬時値を示す式になると考えられるだろう。数学的感覚の能力のない頭では上のような導出法が理にかなっているかどうかも判然としないのではあるが。以上で一応貯蔵エネルギーの電気現象の解釈については結論とする。

L-C回路の過渡現象 少し数学的な意味で、電気現象の解析法に疑問を提起しておきたい。

数式と電気現象数式と電気現象 電気現象は数学的な手法がなければ解析できない。数学的な威力は他に比べようがない程有効である。しかし全ての自然現象が数学的に解釈可能かと言えば、それは無理であろう。最近は、電子計算機の高速計算で簡単に求められるが、便利な数式に表現できないだろう。簡単な上のような例題を解こうとしても、式で求められないと思う。当然コンデンサに電源電圧を掛ければ、そのスイッチ投入時の瞬時現象は回路全体の空間エネルギー分布によって、解析不能な要素が入る事から無理なのではあるが。この回路定数が確定できない、定数不明の回路現象になれば、計算機でも無理である。ただ微分方程式の解法で、スイッチ投入時刻tsは考慮されないようだ。

『エネルギー』ここで論じたエネルギーはすべて「質量」には全く関わりのない空間に実在する『エネルギー』である。物理学で論ずる運動エネルギーや位置エネルギーでない空間エネルギーが世界には満ちている。

電気抵抗のエネルギー論

「電気抵抗のエネルギー論」などと言うと大げさな事と顰蹙(ヒンシュク)を買いそうだ。しかし、電気物理は『電荷』がその論理全体の根本を支えている訳だから、その『電荷』概念を否定する意味を解説するには、単純な電気抵抗の意味とそのエネルギーに関する現象をひも解くのが分かり易かろうと考えての標題である。電気抵抗と言っても、その回路要素としての機能は深い意味を兼ね備えている事を理解する必要があると思う。一般に抵抗が示すエネルギーに関する現象を理解しようとすれば、抵抗以外の電気導体から成るコイルや電気絶縁体から成るコンデンサ等のエネルギーに関わる現象を合わせて考えることで、より深く抵抗の機能が理解できるだろうと考える。

単純な電気回路の例

電圧と電気要素①コイルと抵抗 ②コンデンサと抵抗 ③導体と絶縁体と抵抗体の混成回路 の三つの回路でエネルギーと電圧の関係を考えてみよう。

①コイルと抵抗回路 コイルが示す電気現象はそのエネルギーと電圧の関係で不思議だ。導線は電気導体である。その導体をコイル状に巻くとそのコイルの内側の空間にエネルギーが貯蔵される。導体の中にエネルギーが蓄えられる訳ではない。あくまでも導線のコイル状に巻いた巻線で囲まれた空間にエネルギーが蓄えられるのである。その電気回路でエネルギーが変動しない、定常状態ではコイルにはエネルギーが蓄えられているにも拘らず、全く回路的には電圧には無関係の独立したエネルギー貯蔵器になっている。

②コンデンサと抵抗回路 この場合は、抵抗には全く電圧が掛らない。すべて絶縁体のコンデンサに電源電圧が印加される。丁度回路を開くスイッチと同じ意味をコンデンサが担っているのだ。

③立体模型での導体、抵抗体と絶縁体回路 ②と同じくコンデンサで電源電圧が保持される。抵抗体はエネルギー、電圧には何の機能も持たない。導線全体には定常状態に達するまでの過渡現象でのエネルギー(電圧時間積分)の導線周辺周りのエネルギー貯蔵が微かになされていよう。しかしそれは電圧には無関係であるのは、①の場合に同じである。

①コイルと抵抗回路のエネルギーと電圧

抵抗体(エネルギーと電圧)

抵抗体周りのエネルギーと電圧の関係を示す。『電流』が流れる訳ではない。電源が供給する『エネルギー』が電気回路全体の空間を通して、その電線路電圧の保持に対応するために光速度で充填される。そのエネルギー密度δ[J/m^3^]で光速度に近い速度のエネルギー流が抵抗体表面から侵入する。エネルギーの流れが光速度に近いということが重要な意味を持っている。如何にエネルギー密度が小さくても僅かな時間でさえ、その間に流れるエネルギー量は途轍もなく大きな量になり得る訳だ。そのエネルギー流がポインティングベクトルSi[J/m^2^s]である。抵抗体はエネルギーをその内部空間に取り込み、定常状態では、入射エネルギーと平衡してその同じエネルギーを熱・光エネルギーとして放射している。抵抗体は内部空間構造がエネルギー貯蔵、変換そして放射するエネルギー変換器の機能要素と考えるのが分かり易かろう。さらに電源電圧を抵抗体が担う訳であるが、それは抵抗体の表面の空間エネルギー密度δの電気技術評価概念の『電界』√(δ/ε)[(J/F)^1/2^]=[V/m]に基づいた意味だと解釈すれば良い。エネルギーで観る線路電圧 にその意味を記した。電気抵抗Rの意味は『オームの法則』で電流との関係で理解することで十分であり、便利である。しかし、例えば大学で電気物理として抵抗を意識する場合には、それだけでは電気現象を理解したことには成らないと思う。エネルギーを運動エネルギーと位置エネルギーで解釈しようとする物理学的論理には、そこに潜む矛盾を取り除けないだろうと思うからである。自然は如何に基本が単純であり、それ故に現象の複雑な姿に戸惑うかを考えるのにこの抵抗体のエネルギーの意味は示唆を与えるだろうと考える。ただその空間のエネルギー分布を数式で表現しようとしてもなかなか困難である。数学が自然を完全に表現することには成らないから。数学や式は一つの理解の方便と心得るべきであろう。さて、この抵抗体のエネルギー機能を考えるに、コイルの貯蔵エネルギーについてもその意味を考え併せることで役立つだろう。コイルの巻線内部空間に貯蔵されるエネルギーはどのようなものと考えるか。決して空間のエネルギーは静止した状態ではないだろう。コイルの磁気はそのコイルの軸方向には磁界が生じている。図の方向に磁極のNが現れる。磁極、磁気とは何かを磁界・磁気概念の本質 に述べた。磁極N極の方向に対して、その軸性ベクトルに左ねじの向きにエネルギーが回転する方向性で解釈すると考えた。その方向性が電磁気現象の全体像を捉えるに極めて重要である。その方向への確信を得るに長い年月を要した。コイルのエネルギー貯蔵の形態と次に考えるコンデンサのエネルギー貯蔵の形態は、同じエネルギーを貯蔵する意味でありながら、状況が異なる訳も考える必要があろう。回路からの切り離しによるエネルギー貯蔵の可能性で異なる意味を持つ。

②コンデンサと抵抗回路 コンデンサもコイルと同じくエネルギーを貯蔵する。しかしこの場合は抵抗は電圧を担わず、すべてコンデンサが受け持つ。コンデンサのエネルギー保存機能は電極版間の誘電体・絶縁物によってその特性が決まる。絶縁物が空気では殆どエネルギー貯蔵の意味で、その機能を考える程の特性を意識できない。直流の電気回路としては電源電圧を負荷から遮断するスイッチの機能素子に見える。

エネルギー貯蔵と等価回路エネルギー貯蔵と等価回路 コンデンサは絶縁体内にエネルギーを貯蔵し、回路から負荷抵抗を切り離す役割に見える。①のコイルの場合も併せて考えれば、コイルにエネルギーを貯蔵し、そのコイルを回路から切り離すように、コイル端子をスイッチオンした回路に等価と見える。コイル内で損失が無ければ、空間にエネルギーを放射しなければ、図のような等価回路と看做せる。この回路ではコイル電流を仮定したとしても、電源とは無関係のものとなる。

電源からの切り離し エネルギー貯蔵器にエネルギーを貯蔵したまま、回路から切り離すことを考えてみよう。②のコンデンサの場合は既に回路が遮断された状態だからコンデンサを回路から切り離すことは問題なく可能だ。切り離したコンデンサには、エネルギーが貯蔵されたままであると考えて良かろう。特に電解コンデンサではその意味が顕著である。①のコイルの場合はどうだろうか。この場合もコイル端子をスイッチで短絡しても電圧が掛って居ないのだから基本的には問題ない。その状態であれば、既にコイル端子はスイッチで閉じられているから、電源回路からは切り離された独立の状態にある。従って、もう一つのスイッチで、抵抗を電源に直接つないでも回路としては変化が無いから、ネルギー貯蔵したコイルを切り離せる筈である。しかし、②のコンデンサと異なり、実際にコイルのエネルギーを長く貯蔵したままに置くことは難しかろう。エネルギーが空間を通して放射され易いからと考える。それをコイル内の抵抗損失がある故と看做すのが普通である。磁気材料の鉄心を利用すれば、鉄心の永久磁石としてエネルギー貯蔵が保持される事もまた事実である。様々な電磁気現象は、その基本に『エネルギー』と言う空間に実在する物理量が関わっていることを理解すべきである。

周期律表と抵抗率で、上の抵抗体でのエネルギー変換現象を考える上での根拠に元素構造と抵抗率の関係を取上げた。外殻電子の周回運動としての元素構造論ではなかなかエネルギーの変換現象を理解し難いとの思いから、抵抗体の内部空間構造を考えてみたい。抵抗の次元が[Ω]=[(H/F)^1/2^]である認識からの空間構造が大切であろう。それは光の色調を決める color cell の構造にも通じるものである。

コンデンサ型配線のエネルギー伝送

また技術的価値の無い事を考える。科学技術はその利用価値によって評価され、新しい生活の豊かさを獲得して来た。何故か考える事がその思考方向と逆の事にばかり向くようで、実に不甲斐ない。これが梲(ウダツ)が上がらないという事なのかも知れない。その点エジソンは偉かったと。
時代が進み、経済競争の激化の中で、研究も短期的な効率が求められる傾向が強まっている。何十年の先行きの見えない、失敗も許される余裕の有る研究は時代の中に消えてしまった。

コンデンサ型配電線路 電気エネルギーが電線路近傍空間を通して伝送されるという意味を理解するのに抵抗を感じるかも知れない。電気理論は電圧と電流で解釈される訳であったから、導線内を電子が通ると解釈する論理が常識となっているから。電線路間の空間をエネルギーが伝送されるとなれば、物理的な論理に電流は不要となる筈だ。その意味を電線でなく平行板のコンデンサでエネルギー伝送路を構成したら、理解の助けに成るかと考えた。

コンデンサ型配線コンデンサ型配線

電気回路で、コンデンサの機能は2枚の金属板間の空間にエネルギーを貯蔵する働きであろう。空間を誘電率の高い絶縁材料で満たすことで、その機能を高める。そのコンデンサを電源から負荷端まで、引き延ばして配電線を構成したら、その電線路はどんな機能の電線路と解釈すれば良いだろうか。それが思い付いた電気回路の問答である。上の図の回路は全く科学技術としては役立たない事この上ないものであろう。自然現象解析論の為の思考回路である。経済的利益を求める現代科学研究の社会的意識とは、真逆の思考実験回路である。目的は人間の思考の意味を問う問答と言えるかもしれない。上の図の回路を見て、電気エネルギー伝送の意味をどのように考えますか?これが電気の眞相(3)-電圧と負荷ーの追加説明でもある。