タグ別アーカイブ: 伝播定数γ

これが電気回路の実相だ

はじめに 電気技術概念、その代表が電圧と電流だ。その本当の意味はすべてエネルギーの姿を利用しやすい観測量として評価するものであった。エネルギーが電線導体の中を流れることはない。すべて電線で囲まれた空間を流れるのだ。基本的にはほとんど光と同じ光速度、毎秒30万キロメートルの考えられない速度で伝送されている。電気回路理論では電線路をエネルギーが流れるという解釈は一般的に採られない。それはエネルギーが空間内に実在している物理量という意識がないからであろう。エネルギーその物を計ることもできないし、目で見ることもできないから意識化が困難な事にその原因があるのだろう。太陽の光を浴びて、暑くてもそのエネルギー量を計れない。光を見ても、そのエネルギーが流れていること感覚的に捉えにくい。決して光は振動などしていないことを実験的に検証できない。光の科学測定は振動数の姿でしか測定値として捉えられないから。光の空間を伝播するエネルギー分布波など測定・観測できないから。電気回路を伝送するエネルギーも光と同じ空間分布波である。

特性インピーダンスと伝播定数。 電気回路は電線と回路要素のインダクタンス、コンデンサそして抵抗の3つでほとんど構成されているとみてよかろう。モーターもそれらの要素に等価的に分解して解釈できる。それらの要素がエネルギー(このエネルギーという意味を空間分布波として認識しなければ意味が通じない)に対して、それぞれ異なる機能を発揮するから、電気回路現象を理解するには技術的学習が必要になる。その技術習得に欠かせないのが、電圧や電流あるいは電力の概念である。しかし、電気回路の実相はもっと単純なのである。電気回路のインピーダンスや虚数軸のベクトル手法などによる専門的知識によって、単純な電気現象の実相が見えなくなるようでもある。ベクトル解析などと抽象的な解釈法を専門的共通理解の手段として学習すると、とても便利に理解しやすくなり、専門家集団内の共通コミュニケーションに欠かせないものとなる。そこには物理学理論としての電圧・電流概念が確固たる強固な物理的基盤として支えてもいる背景もあるから。しかし、電気現象も光や電波と同じエネルギーの空間伝播現象でしかないという本質を先ず捉えることが必要なのだ。そこに大事な電気回路現象の理解の要として、特性インピーダンスと伝播定数がある。街には配電線が電柱で支えられて配線されている。電気エネルギーを供給するためである。高電圧6600ボルトのピン碍子配線、変圧器を介した低電圧200・100ボルトの絶縁ケーブル配線がある。それは空間を伝送されるスマホの信号エネルギーと同じ電線導体の間の空間を伝送される電気エネルギーの伝送設備なのである。専門的技術理論が分からなくても、単に電線路空間を構成して、その空間を通してエネルギーを光速度で送っているだけなのである。その基本の単純な自然現象の利用技術が電気工学や電力技術として熟練を要する専門的な理論となっているのである。誰しもが基本となる自然現象の単純な意味を先ず理解してほしい。電線導体の中を電子が流れている等という、如何にも専門家らしい言説に惑わされないでほしい。決して電線導体の中を電子など通れないのだ。この世界に、負の電荷を持った電子など存在しないのだ。教科書が真実などと言うことではないことも知らなければならないのだ。自然は深くて単純なのだと。

電線路の実相

電気回路の真実を知りたい方のために少し解説したい。技術と自然の架け橋の要点を。

空間の電気特性 目の前の空間が持つ科学技術的解釈に誘電率と透磁率という概念がある。空間がインダクタンスとコンデンサから成り立っているという解釈である。携帯電話を使えば、電線が無くても通信ができる。空間が電波信号(これがエネルギーの空間分布波なのだ)の伝送路だからだ。図に透磁率μo[H/m]と誘電率εo[F/m]の値と空間の持つ特性インピーダンスZo[Ω]および電気信号の伝送速度の逆数で伝播定数γ[s/m]を示した。光速度coもその定数から決まる。透磁率が4πという立体空間角度に関係した値で定義されて、うまく統合されている訳は誠に不思議に思える。余りにも良くできているから不思議だ。それは空間の長さ1メートルあたりにインダクタンス[H/m]がある。同じくコンデンサのキャパシタンス[F/m]がある。空間にコイルやコンデンサがある訳はないのに、そのように解釈して初めてエネルギー伝播現象の姿を納得して理解できる。その捉え方の妙味が、とても便利であるから不思議なのである。何か禅問答のようだ。

右に裸電線を張った電気回路の意味と特性を示した。数式には自然対数のln(2D/d)を使って示した。常用対数log(2D/d)に変換するには係数2.3026を掛ける。一般的には絶縁電線が使われるが、基本的な特性は裸電線の空間構造によって決まると考える。絶縁電線は電気エネルギーの流れる伝播空間が電線表面の絶縁体部を流れるため、エネルギーの流れる速度が比誘電率の値で遅くなる。1メートルの長さをエネルギーが伝播する時間が伝播特性で、比誘電率εsのため√εs倍だけ長くなる。裸電線の場合は、空間の光の速度と同じことになる。線路の特性インピーダンスの機能はその値が同じであれば、エネルギーの流れが電源電圧のエネルギー分布に従って反射などの阻害要因がなく伝送されることを示す。その現象は特に超高周波回路に現れる。分布定数回路と実験に例がある。

むすび

空間の光エネルギーの伝播現象を科学技術概念、空間定数(透磁率、誘電率)と結びつけて、その捉え方を電気回路の伝播現象と統一的にまとめた。30数年前に、拠り所の電流概念を棄却して闇の世界の中をさまよいながら、プランク定数の次元と実在概念 日本物理学会講演概要集 第56巻第1分冊2号、p.338. (2001) の光エネルギー分布波の捉え方から、空間エネルギー分布の解釈にたどり着いた。光とは何か?-光量子像‐にまとめた。今50数年前の、分布定数実習に対する一考察 (新潟県工業教育紀要第3号、1962)の分布定数回路の実験結果が貴重な資料となり、この記事の基にもなった。新潟県教育委員会に正式採用もされていなかった中で、アルバイトのような身分の分際で研究するなど誠に御迷惑をお掛けしたと恥じている。と卑下してみても、新潟県はこの研究報告を生かす責任があろう。 

 

電力 p[J/s] の意味と解析法(1)意味

はじめに

瞬時電力という用語を今までも常用してきた。電力制御の技術理論も確立していると思う。電圧と電流の瞬時値も制御可能であり、電流の偏差値の微細制御さえ可能である※(1)。当然その積としての瞬時電力も制御可能である。電力工学で制御が可能であるにも拘らず、瞬時電力の意味が理解できないとはどういうことかと理解されないかも知れない。筆者自身も自分が何を理解できないと考えるのかを理解するのに困惑した。禅問答のようである。電力の単位[J/s]のエネルギーの時間微分という概念の物理的意味が明確ではない。時間軸上に電圧も電流もその波形が当たり前のように描ける。従ってその積である電力も何の違和感もなく、その波形を描くことができる。そこに科学技術とその基礎になる自然現象の本質との間に横たわる人には気付きにくい不思議な関係があると考える。電流波形が描けるとしても、その物理的意味をどれほど理解しているかという課題が残されているのだ。だから電力の瞬時値の意味が分からないのも当然と言える。それは『エネルギー』の意味が明確でないからであろう。

電力 p[J/s] の物理的意味。

電線路のある点の電力 p[W] はその点の電圧と電流の積で捉える。単位ワット[W] はエネルギージュール[J] の時間 [s] での微分値となっている。エネルギーの時間微分値とはどの様な物理概念と理解すればよいか。瞬時電力 p が電圧 v[V] と電流 i[A] の瞬時値の積であると定義されても、物理的に単位 [V] と [A] の積が [J/s] となるという感覚的に納得できる理解、安堵に至らない。精神的に安心した状態に至らない。要するに腑に落ちないのである。自分の脳の弱さを棚に上げて、[VA]=[W]=[J/s]となる理屈が理解できないと言って悩んだ。それは[V][A]そのものの物理的概念が心で納得していないからであろう。そこに不思議の原点があった。せめて、[V=(J/F)^1/2^][A=(J/H)^1/2]と[VA=(J/F)^1/2^(J/H)^1/2^=J/(HF)^1/2^=J/s]の単位、次元の換算を頼りに考えた。そこから、[J/s]の理解の旅が始まった。

エネルギー[J]の意味を知ること。

電気回路で伝送されるものがエネルギーの空間分布波であるという自然現象の実相を知ること。電圧・電流はそのエネルギー流を評価する科学技術概念であり、自然現象を理解する物理概念と捉えるには少なからず考えなければならないものがある。電気回路のエネルギー流とはどの様なものか。具体例として、負荷容量1[kW]の電気負荷を考える。電源は100ボルトの正弦波交流電圧とする。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上に抵抗負荷の場合を例に、瞬時電力という意味を電圧と電流の積という観点と異なる電源からのエネルギ流-として考えた。結果としては、電圧と電流の積の電力で解釈して矛盾はないという意味になった。ただ、電圧の意味と電力の関係の物理的意味で、具体的な理解ができた。電気回路には線路ロスがあり、それを線路抵抗などで解釈するのが一般的であるが、エネルギー伝送の観点からは少し異なると考える。線路損失は電流によるジュール損というより、空間から放射されるエネルギーの損失と捉えるべきで、電圧位相遅れは伝播定数γにのみ因ると考える。電線路導体を電子が流れる訳でないとなれば、空間のエネルギー流からそのように考えざるを得ない。

瞬時電力p

電源電圧を基準に、負荷端の電圧が線路長l[m] では、γl[s]だけ位相の時間が遅れた電圧となる。負荷電力はその端子電圧の2乗に比例する。電線路の単位長さ 1[m] 当たりの空間に分布するエネルギー量はγp[J/m]となる。

電力 p=dE/dt [(J/m)/(s/m)]=γp[J/m]/γ[s/m] [W=J/s]

という意味で、電力を捉える。空間的広さあるいは時間経過に通過するエネルギー量で捉えないと、エネルギーの意味を捉えきれない。

むすび

時間軸上に描きながら、その瞬時電力という用語の物理的意味が理解できなかった。電線路空間にエネルギーが実在するにも拘らず、エネルギー量の時間微分という概念量の捉え方が理解できなかった。上の解釈で、伝播定数γ[s/m]による空間のエネルギー流として納得できた。しかし、何を考えても専門家の皆さんの考え方を否定するあるいは無視するような結論が多く自分に困惑頻り。本当に『流れに竿挿せば流される。流れに逆らえば窮屈だ。』の名言の通り。

参考文献※

ここに挙げた文献は電力工学の分野での過去の研究の成果といえるものだ。特に(1)はスイッチングによる微細電流制御の回路解析を論じた内容だ。しかし、その電流を物理的には実在しないと棄却した。己の専門分野を切り捨てるような、研究のはみ出しの世界を歩いた。『静電界は磁界を伴う』と『電荷』を切り捨てた。ようやく『エネルギー』によって電気現象を解釈できるところに到達できたと思う。文献(2)、(3)は電気回路解析の手法として、インピーダンスでなく、アドミッタンスが有効と考えるに至ったその原点をなす資料である。中でも(2)は特殊な空間モデルを描いて、瞬時虚電力の概念を電磁気学の微分演算子で纏めたものである。次の記事(2)回路解析で、負荷力率との関係をアドミッタンスによって考える参考にする。

(1) 金澤他:電圧型PWM変換器を用いた瞬時無効電力補償装置の動作解析と設計法 電気学会論文誌B、論文61-B 39 (1986.4.)

(2)金澤:561  瞬時ベクトル空間モデルと空間瞬時アドミッタンス 昭和61年電気学会全国大会 (1986.4)

(3)金澤:空間瞬時ベクトル解析法と交直変換器への適用 電気学会 電力技術研究会 資料番号 PE-86-39 (1986.08.04)