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電圧ー物理学解剖論ー

(2017/04/21)追記。乾電池の定格電圧は1.5Vである。はじめは1.6V以上あるが使うと電圧が低下してゆく。『エネルギー』が消費されて規定電圧以下になって乾電池としての機能を失う。以下の記事は乾電池について述べてあるが、この何故1.5Vかという問題は自然科学技術と科学理論との関係を問う大変重要な問題と観なければならない。『電荷』では説明ができないのだ。ではどのよな論理性で説明できるかといえば科学技術を支える理論で説明できない論理矛盾を抱えた問題なのである。この1.5Vに成る解釈を、化学あるいは物理学で示せれば大きな功績となる。その意味は電圧の単位ボルト[V]の意味が科学理論で説明できないからである。『エネルギー』で解釈できなければ、永久に無理なままである。

電気回路を考える時、電圧と電流が基本に成る。電流についてはその概念を否定する論を展開して来た。しかし『電圧』については余り論じて来なかったと思う。そこで、電圧の意味も考えて見ようかと思った。先ず身近な生活に関係する乾電池を取り上げて見よう。乾電池の電圧は 1.5 V である。そこで、その電圧値 1.5 V はどんな原因で、その値に成るのかと考えたが、まったく理解できない事に気付いた。確かに測定器、電圧計かテスターを使えば、メーターの指示値は 1.5 V 付近の値を指示する。乾電池の電圧は直流だから、その測定器の型は「可動コイル型」が普通である。その内部構造は電流計に直列に高抵抗が繋がれた形で、言わば『電流計』としての働きをしていると見る事が出来る。私も電気の専門家の部類に属して、少しは知っている心算で居たが、乾電池の電圧の値が決まる理由が解らない事に気付かされた。乾電池の中味は、塩化アンモニウム、塩化亜鉛およびデンプンを練った物、さらに複極剤である同じような練り固めた物が内側にあり、プラス電極の炭素棒とマイナス電極の亜鉛で構成されるとある。乾電池の電圧が何故決まるかを検索しても何も回答が無い。電子が何個出るからとかの解説があるが、そんな解説は何の理解の足しにも成らない。電荷がプラスとマイナスの電極の間に発生するからと言われても、どれだけの電荷が分布するのか等、誰も説明できないのである。単一、単二、単4と形状も寸法も異なるのに、どれも同じ電圧 1.5 V である。単4用の電子と単1用の電子も同じ電子であろうから、寸法が異なれば、静電容量と言うコンデンサの容量は異なる筈である。電子の電荷で説明するなら、形状が異なる事による静電容量が違えば、電圧が異なるのが、電気理論の基本的論理である。

電荷と電圧 電荷で電圧を解釈するなら、電圧の単位を考えておかなければならない。電荷の量をQクーロンと仮定して、その電荷がコンデンサの静電容量Cファラッドの幾何学的形状・寸法から決まる電気要素に貯められたとする。その時の電圧Vボルトは、V=Q÷Cで決まるのが電気理論の基礎である。だから、『電荷』による説明は、解説としては、学習しようとする真剣な学習者に対して、いい加減で曖昧な解説を押し付けるものであると言えよう。乾電池の電圧を決める要因は、その長い技術の積み上げによる『化学物質等と電極材料との組み合わせ』で決まると、単純に解釈すべきであり、電荷がどうのこうのの解釈で決まるのではない筈である。(2017/04/21)追記、以下の・・部分の論述は論理的でないようだ。『電荷』概念の曖昧さから来る自分自身の未消化な解釈を展開している。電荷なら寸法で、電圧が異なるのが電気理論からの結論である。寸法が違っても同じ電圧となるのは、『電荷』論は間違いである事を示している。もう少し静電容量と電荷の関係を述べておく。コンデンサは並列に接続すればどんどん容量は増加する。電池の持つコンデンサ容量を基本として解釈しないと、電荷による電圧概念の説明は付かない。今、電池のプラス、マイナスの極に大きな容量のコンデンサをつないだとする。当然全体とすれば、電池の静電容量が増加した事と同じ意味で解釈できよう。だから電池の外形・寸法による静電容量と電荷の量との兼ね合いとして、電圧を解釈する事は無理であると考える。」要するに乾電池の電圧値は『電荷』と言う物理概念では説明できないのである。電池内部の化学物質の詰め物の「物理・化学的解釈」が論理的に説明できていないのである。技術と科学理論の間に横たわる問題・課題である。一応乾電池の話はひとまず置く事にする。

交流回路を含めて、電圧の意味を 考えて見ようと思う。 100 V 50 Hz の交流電源で考えて見よう。電圧計は交流用の「可動鉄片型」に成る。(2014/11/18)追記。失念していた事がある。交流用の測定器で、「可動鉄片型」は高級な計器である。普通は直流用の「可動コイル型」にダイオードを組み合わせて、交流用『整流器型』として利用している場合がほとんどだ。思い出したので、少しご注意頂きたく追記した。この測定の電圧形も乾電池の話で示した電圧計と同じく、計るものは電圧計に流れる電流値を高抵抗で微弱量に制限して、その電流の電磁石の力で鉄片が吸い込まれる回転トルク力の角度量を指示値として示しているだけなのである。先ず電圧として測定指示している数値が何であるかをきちんと捉えておく必要がある。技術と理論の概念との関係を正確に理解することが、科学理論の実情を捉えるに大切な事と考えて、こんな些細とも思える話を記すのである。結局、電圧値として表示する値は、メーターの中に流れ込む『電流』に基づく「磁場エネルギー」の力を利用しているだけである。測定器は『磁気』の空間エネルギーを利用している物がほとんどであろう。電荷によるクーロン力等教室授業の為だけの無駄な概念であると言いたい。(原子理論も電子電荷の軌道論で構築されているが、悪いけれども、そんな理論は捨てるべきである、内緒話)

電圧の次元 ここで電圧の意味を纏めておきたい。

エネルギー[J(ジュール)] とJHFM単位系』および電流と電圧の正体をご参照ください。

電流計は何を計るか

電流計は電流を計ると、誰でも当然のことと思うだろう。電流とは、誰もが電線の中を流れる何かであると思っている。それは『嘘』である。電気回路のエネルギーを伝送するには導線が必要である。一般家庭の電灯線でも最低2本の導線でエネルギーが供給される。大電力は3相3線式の送電線路になる。皆その電線の中を電流と言うものが流れていると解釈しなければ、電気回路の意味が分からなくなってしまう。どこの物理学者に聞いても、電流とは電子が電流と逆向きに流れていると答えるでしょう。電気の基本法則に『オームの法則』があり、学習の最初から電流の意味が教えられる。鉄塔の送電線路で、電線の鋼心アルミ撚り線の設計も電流密度で太さが計算される。流れていない電流が電気回路の基礎概念として世界の物理学教科書の基礎をなしている。物理学理論を解剖する。その好適例として、電流・電子概念を取り上げる。先ず最も身近な「可動コイル型電流計」(直流の電流計)をその考察対象として取り上げる。計測の原理は、電線の中の電流などを計るのではなく、流れると考えている電線コイルの周りの磁気と永久磁石の磁気との関わりで働く相互関連の力を利用しているのである。その電流計の概略図を示す。この電流計の働き・動作機能を解明するには、幾つかの電気の基本法則から考え直さなければならない。電線あるいはコイルの周りに、電流による磁界、磁束が発生する。その『電流と磁界の関係』は①アンペアの法則によって解釈される。(2013/03/05)追記。図に「可動コイル型電流計」の構造を示した。永久磁石の磁場内に計ろうとする回路の電流が流れる可動コイルを組む。電流の量に比例してコイルの磁場と磁石の磁場との磁力の相互作用で、コイル軸に固定した指示針が回転する。その回転量で電流の値を読む方法が「可動コイル型電流計」の動作原理である。『微弱電流』測定は『検流計』による。その原理は同じであるが、コイルに軸に鏡を付け、その鏡の光反射を利用すれば、微弱電流によるコイルの微弱回転をも検知でき、拡大した大きな振れを検知できる訳である。それは電流値の値よりも電流があるか無いかの検知が主な測定目的であろう。要は電流と言うが、電線内に流れている物など全く測定していないのである。空間の磁気状態の相互力を検出しているだけである。

可動コイル型電流計の計測する電気量 電流と電圧の正体にまとめた。負荷電力に関係する量を可動コイルに貯蔵することで、『負荷電流』なる電気量評価をしているのだ(2013/5/29 追記)。

①アンペアの法則 ところが、この事に『嘘』がある。「この磁界と電流の間に途轍もない『大矛盾』が存在する」ことを明らかにすることがこの論文の主題でもある。それは電子概念の矛盾点である。そのことを論じる前に、磁気とは何かを先に考え直しておこう。コイル電流による磁界は②右ねじの法則で共通認識されている。

②右ねじの法則 電流と磁界の向きの関係を右ねじで解釈して分かり易い。図の(ロ)のように円形コイルに電流 i が流れると、磁気・磁束密度Bの向きに磁石のN極が発生すると同等の意味で説明される。この電流 i が何故磁石と同じ働きをするかは誰も答えられない。それは、電流が何であるかの説明が誰も出来ないからである。電流が電子の逆向きの流れと一応説明するが、決してそれ以上に深くは考えないで済ませているのである。深く追究すると、分からなくなるからである。専門家のそれが得意技である。確かに、コイル電流が磁石と同等な働きをすると教え込み、無理に暗記させるうちに、何となく真理のように思い込むことになる。それが人間の『脳』の機能の特徴であるから。しかし、一つ疑問を持つと、理解できない、納得できない事に沢山ぶつかるのである。ここで簡単に、『磁気とは何か』についても触れておきましょう。もともと自然界に、磁束・磁束密度なるものなど存在していません。電気回路の技術法則として、便利な概念であるから、共通認識に取り入れただけであり、深く考えれば矛盾している事なのである。「静電界は磁界を伴う」を発表してから、磁界とは何かを考え続けて、その意味を自分で納得できる結論に到達した。磁気とは空間のエネルギー流である。

③磁気とは空間のエネルギー流である。方位コンパスを例にその向きを示しておきましょう。マグネットのN極は磁極の向きに対して、エネルギーは左ねじの向きに流れるのである。この向きを決めることに長い時間を要した。物理学理論は空間に存在するエネルギーの実在性を認識していないのである。ポテンシャルエネルギーも運動エネルギーもエネルギーを担う質量を必要としている。光が空間のエネルギーと言う認識が無い。磁気エネルギーは磁束密度、電気エネルギーは電束密度と、その実在しない概念によって捉えているが、そんな概念が無くても、エネルギーはエネルギーとして空間に実在しているものなのである。

さて、そろそろ結論を急ごう。電流が電子の逆流と考えるならば、その電子とは何者かを明快に説明できなければならない筈である。教科書は子供達に教える、未来に向かう指針である。その定義は、負の電荷と小さな質量を持った素粒子であると。もし電線の中を電子が通るとしたら、その電子の定義概念から、電線の外に磁気が発生する訳を説明できなければならない。電子の空間像をどのように認識しているか。誰も答えられない。電子とは、その空間的な実在性を如何に認識するかである。結論は、空間のエネルギー流でしかない。右の図の電流 i  による磁界Bが電子のどんな特質によって生じると言えるのだろう。アンペアの法則は電子・電荷概念の無い時代(19世紀初頭)の法則で、その理論の周回積分値の実証は出来ない。電子が電荷を保持すると言うなら、電気力線が電子に入り込む描像で捉えれれる。その領域がエネルギー空間場となり、電子の領域とも見做さなければならない。その電子のエネルギーが電線金属の中から、金属導体の静電遮蔽を乗り越えて、どんな理屈で導線外部に磁場エネルギーを生み出すと考えるのだろうか。更にもう一つ電子流の矛盾として挙げておかなければならない事がある。電子が負荷にエネルギーを供給するには、エネルギー保存則を補償しながら、どのような供給能力を持つと解釈すればよいのだろうか。殆ど説明できない矛盾である。(2013/04/30 追記)何が矛盾かという意味を解説しておきたい。電気回路で、負荷にエネルギーを供給する。ランプを付けると言う意味は、ランプにエネルギーを供給するから、そのエネルギーをランプでエネルギー形態を変換して、光として放射するのである。そのエネルギーを光に変換して放射する訳であるから、その『担い手』を電子に求めるなら、電子は電源からエネルギーを負荷のランプまで運ばなければならない。負荷で『エネルギー』という荷を下ろして、ランプに届けるとする。負荷に『エネルギー』という荷物を届けて、帰り道は『エネルギー』分だけ身軽になる筈である。電子に『エネルギー運搬役』を課すことは、『電子』概念の定義には無い責務である。『電子』もきっとそんな仕事を仰せつかっても、『エネルギー保存則』に違反する様な大それた責任は取れないと、駄々を捏ねるに違いない。『電子』は行きと帰りで『エネルギー保存則』に戸惑うだろう。要するに電源から『エネルギー』をどのように負荷まで運ぶかという基本的解釈を問うのである。その意味で、基礎のほとんどは矛盾から成り立っている。と看做さざるを得ない。

(2013/09/25)追記。『電子』とは?-物理学的「お化け概念」の図。電子とは何者か昭和61年、長岡高専で電気磁気学の講義をしていた『中曽根臨時教育審議会』の抹殺対象の生命の危機の中で疑問の原点に成った。それが『電荷』とは何かであった。(2016/04/27)追記。こんな抹殺対象だったなどと書く自分が情けない。しかし、今考えれば『以下余白』の不覚で既に長岡工業高等専門学校に在籍していなかったのだと分かり、巧妙な方法で殺害するより他に対策が無かったのかと理解できる。

『静電界は磁界を伴う』の検証実験が『電荷』の空間描像を明らかにするための挑戦であった。その後日本物理学会で電流矛盾などを説き明かす説明資料に使った図面である。電荷概念で最も馴染みのある用語は『電子』であろう。素粒子物理学研究では、ヨーロッパのSERNでは『陽子』加速の実験が行われている。『電荷』のプラスとマイナスの違いがあるが、素粒子加速では『電荷』概念に基づく加速は電界によることに成る。そこで、『電子』の加速も『陽子』の加速も、電極の電界方向だけの違いで、原理はみな同じである。『電子』を加速したいとなれば、その素粒子の寸法や形状および電荷の分布状況をどのように認識しているかが重要な原理解釈の基本であろう。それでは皆さんは電荷がどのように素粒子に付帯しているものと解釈するかを答えられるだろうか。そこで考える一つのモデルを示して、その電磁界内での『電荷』および『電子』の実像を考えて見ようと言う意味で示した。今は昔に成ってしまったが、ブラウン管式テレビの『ブラウン管』は、電子銃からの『電子』を制御するブラウン管内の電気回路はブラウン管に張り付けた電磁コイルである。電気理論では、『電荷』は磁界で制御はできない筈なのである。SERNも電磁石で円形軌道上の加速法が採られている。いろいろ苦心の加速説明をしているが、ローレンツ力では『電荷』と『磁界』の間での空間的遠隔作用力の原理説明は出来ない筈である。上の図で、『電荷』と陽極板(プラス電極)間の空間に加速するための電気力線を仲立ちにすると考えたとき、遠隔作用力の元が電気力線と言うことに成る。何故電気力線を仮想すると、加速引力の役目を果たすと言えるのだろうか。電気力線の存在は、それだけでその空間には『電界エネルギー』が存在すると考えなければならないのだが、その場合はそのエネルギーは何が供給しているものと解釈すれば良いのだろうか。陽極からの電気力線かあるいは電子からの電気力線からかにより、どちらが供給する場のエネルギーかを決めなければならない。しかし、場のエネルギーと言う解釈は、粒子加速の場では考えない事にしているようだ。理論物理学では、空間のエネルギーと言う質量に付帯しない概念は曖昧のまま、あるいは無視しているようだ。さて電界と『電荷』の間の力は電気磁気学の理論に従っている。しかし、『電荷』と磁界の間に働く力はどのような原理に基づくのだろうか。『電荷』から電気力線が磁界に届いたとしても、どのような磁界との関わり方で電気力線に作用力が及ぶと言うのだろうか。理論では『電荷』が速度を持つとその周りに磁界が生じると解釈するのが専門家の意見であろう。それがアンペアーの法則の意味であるから。ここではじめて、『電流』が磁界を生むと言う原理を考える糸口に到達した。上の図の『電荷』が移動すると、どのような訳で電気力線が磁界に変化するのだろうか。マックスウエルの方程式がその辺の理由の解釈原理には成っている。『電荷』と『磁界』は原則的に別々の概念であると成っている。『電荷』からどのように『磁界』を生むと説明するのだろうか。『電子』一粒が運動すると、何故『磁界』を生むかが26年前の疑問の原点である。関連の様々な周辺の概念を検討した結果に於いて、結局『電磁界理論』そのものが矛盾のまま構築されて、複雑怪奇の理論体系に成っていると言う結論である。どうぞ皆さんにお願いがあります。電荷が動くと何故磁界で出来ると解釈するかを御自分でお考えいただきたい。この様に法則が成り立っている、言われているからでなく、自身で理論の根本から納得する解釈を導き出して欲しい。その事で、『電流は流れず』と言う意味の『電流』の概念を納得出来ると思う。

磁力密度 f=rot(S/v)  日本物理学会講演概要集第63巻 p.310. に関連記事

参考記事 磁界・磁気概念の本質 電流は流れず 『電荷』と言う虚像 ファラディ電磁誘導則・アンペア周回積分則の物理学的矛盾