タグ別アーカイブ: 回路定数

空間定数とエネルギー伝播現象

空間とエネルギ-伝播現象の関係を図にまとめてみました。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

エネルギー伝播特性 光を含めすべてのエネルギーの伝播現象がその空間定数、透磁率μ[H/m]、誘電率ε[F/m]によって決まると考えてまとめた。細かな点では違いもあるかも知れないが,エネルギー流という物理的実体の流れを総合的に捉えれば、その伝播現象の基本的姿は図のようになろう。特に電気回路の具体的現象を考えると、回路が電線路導体で囲まれた空間内を流れるエネルギー流の現象と見えてくる。長距離送電線路の伝送方程式では、回路定数による分布定数回路としての捉え方が基本となっている。その中に特性インピーダンスZ=√(L/C)[Ω]と伝搬定数γ=ω√(LC) [rad/m] がある。この中で、伝搬定数にはω[rad/s] という角周波数が含まれている。それは定数に入れるべきでないと考え、伝播定数としてγ[s/m]の速度の逆数を定数にした。電気回路のエネルギー伝送現象を考えるにはこの伝播定数の方が分かりやすいと思う。それはエネルギー伝送現象について光エネルギーと速度と時空で、電力p[J/s]の意味と解析法の記事で明らかにした。この電気回路定数との関係を述べた。

むすび 科学技術はその広範な分野に分かれて、それぞれ独自な理論を構築しているように思える。そのため各分野を統合して考察する機会が失われているように思う。未来の科学には生活感覚から観る市民の理解できる易しい解釈・解説が求められる。そこに全体を統合した捉え方をするには、ますます科学全体に共通した矛盾の無い少数の基礎概念の提示が求められるはずだ。その市民科学への寄り添いに科学者の努力と責任が求められよう。そんな意味を込めて、真空空間の空間定数による光エネルギー伝播特性を基準にした、すべてに共通した捉え方の一端を提示した。光と電気エネルギーは同じ空間エネルギー分布波の伝播現象だという意味を。スマホの通信も電気回路も同じエネルギーの伝播現象であることを。

 

電気抵抗体の物理

はじめに
改めて電気抵抗の何を書くのかと思われそうだ。しかも物理とはどんな意味が抵抗にあるのかと。前にコイルの電圧の事を記した。電気回路要素にはコンデンサとインダクタンスと抵抗しかない。しかし、抵抗だけMKSA単位系の中で特別の単位[Ω]が使われる。この単位の意味がどんな物理的特性を表現したものと理解しているのだろうか。自然単位系として、JHFM単位系を提唱した。エネルギージュール[J]を基本としてヘンリー[H]、ファラッド[F]の空間構造単位と長さ[M]だけで全ての物理量を捉える考え方である。その中では抵抗[Ω]は[(H/F)^1/2^]と言う次元となる。何故、抵抗がインダクタンスとコンデンサの単位と関係があるのか。ここにこそ抵抗体の物理的意味合いが隠されているのだ。物理と言う一般的な意味は、科学的に物の理屈を明らかにすると言うように捉えられていよう。ならば、科学論として実験的に検証可能でなければとそれは物理の中には入れてもらえないようにも思う。そうなれば、空間に実在するエネルギーなどを論じることは出来なくなる。正しく、物理学で捉え切れていない空間のエネルギーが本当に科学論の根幹に据えなければならない基本概念の筈である。空間のエネルギーを計ることは可能かどうかとても難しい問題と思う。ここで、電気回路の中でオームの法則として一番基になる抵抗の意味を空間の構造体として捉える考え方を述べたい。

電線路の特性
電線路は電気エネルギーを供給する設備である。最低二本の電線を張れば可能である。その細い2本の電線を張ったその空間には電気特性としてのコンデンサの意味とインダクタンスの意味が含まれている。幾ら細くても2本の導線の間にはコンデンサの機能がある。電流が流れれば(流れないと言いながら済みません)、1ターンのコイルを成すとも見られるから、その空間はインダクタンスの機能を持ってもいる。

電線路エネルギーと特性インピーダンス

電線路に電圧を掛ければ、無負荷でも線路空間にはエネルギーが蓄えられる。それは線路のコンデンサとしての機能で解釈され、その充電エネルギーと看做して良い。図の①のように線路の静電容量をC[F]として理解できる。

次に負荷がかかれば、②にように線路に電流が流れると、電線路はインダクタンスの機能を発揮する。負荷に伝送するエネルギーに因って、電線路に生じるエネルギーである。図では伝送エネルギーと表現したが、★印を付けて少し意味合いが違い、線路内に加わった貯蔵エネルギーと考えた方が良かろうという意味で捉えた。エネルギー伝送量の変化が生じると、その変化を抑制する電気的慣性の意味と捉えた方が良い。

この電線路の静電容量Cとか誘導インダクタンスLとかの捉え方は、送電線路の送電特性を解釈する基本的考え方になっている技術概念である。一般には単位長さ1キロメートル当たりの定数[mH/km] 、[μF/km]として線路特性を評価する。その線路の特性インピーダンスZ= (L/C)^1/2^ [Ω]を使う。それは身近な2本線の電線路でも同じ事であり、図のようになる。

抵抗の空間特性 抵抗はエネルギーを消費する機能要素と普通は捉えるだろう。しかし抵抗でエネルギーが消失する訳では決してない。ただエネルギーの変換が成されるだけである。電気エネルギーを熱や光エネルギーに変換するのが抵抗体である。抵抗体でもエネルギー保存則は成り立っているのだ。だから抵抗とはエネルギーの変換機能であり、抵抗体の分子・原子構造体が成す空間格子構造の物理的意味を持っている要素であると解釈すべきであろう。電線路の意味に似ているのである。L とCの空間構造の成す構造体と言う捉え方が物理的解釈である。 この捉え方をする訳の説明になるかと思う設問を提起したい。

『問』 エジソンが発明した白熱電球がある。その電球もヒラメントは抵抗体である。抵抗は温度が上がると抵抗値が大きくなる。その訳を説明してください。

『答』 (ヒント)教科書では電子が抵抗の中を通過する(電流が流れる)ことになっている。電子が通るとどうして抵抗体が熱くなるのかの物理的解釈を示して欲しい。それが出来ない時本当の訳を考えると思う。数式では解答できない問題だと思う。物理学とは本来日常の言葉で理解することが基本だと思う。教科書の解釈の論理性を問う事でもある。(関連記事) 『オームの法則』-物理学解剖論ー (2013/04/16) 白熱電球のエネルギー変換原理は? (2018/02/12)。答えとしては、電荷とか電流と言う物理的描像が空間的に不明確な概念での解釈では無理であろうと思う。エネルギーの変換現象であるから、抵抗構造体の中にエネルギーの高密度集積がなければ、抵抗体からのエネルギー放射として温度計測の測定体にエネルギーの入射は起きないだろう。温度上昇はその物体にエネルギーが貯蔵されたから起きる現象である。物体の何処にエネルギーが貯蔵されるかと言えば、その分子結合の格子空間内に蓄えられるとしか考えられない。思い出した不思議がある。周期律表と抵抗率 (2016/06/16) の意味である。何故隣同士の原子でこれ程抵抗率が違うのか。原子構造が周回電子で解釈される意味で、どのようにその差が起きるかの疑問を説明できるだろうか。電子周回論には原子構造解釈に有益な論理性が観えないと思わざるを得ない。抵抗体のL、Cの空間構造に因るエネルギー変換特性の捉え方に関係付けても、電荷に因る電子周回論に納得出来ない思いだ。これは一般的科学研究の論文発表における査読検証の世界で通用する科学論にはならないだろう。然し、科学理論の根底にある矛盾として、『電荷』否定の一つの実験結果『静電界は磁界を伴う』がすべて意味を包含していると考える。その意味を踏まえれば、日常用語で語る考えも十分科学論として意味があると思う。空間エネルギーの測定が出来なくても、クーロンの法則で『電荷』量の測定が出来ない意味と同じ事と思う。より基礎概念が基本量に統一されて解釈できることが、市民の科学論の理解に資する筈であろう。

抵抗体とLC構造 

抵抗に電圧vが掛って、電流iが流れたとする。その抵抗体は確かに電気エネルギーを消費する。然し消費したからと言って、そのエネルギーが抵抗体の中で行方不明になる訳ではない。電気コンロで有れば、そのヒーターがエネルギーを蓄積して、温度上昇をする。温度上昇は抵抗体の中にエネルギーが蓄積されて、その抵抗体に入射するエネルギー量と放射するエネルギー量が平衡した状態で定常状態の抵抗機能の電気現象になる。抵抗体の物性により、比熱とか様々な科学評価認識量でその抵抗機能が異なる。然し基本的には、抵抗はその内部機能がLとCによって構成された構造体と解釈できる。図に示したように、電圧v は抵抗体周辺の空間エネルギーの分布の様相にその物理的本質を持ち、その空間積分を表したものと解釈する。陰極線が電圧の負側から流れるのは古く放電管の実験で示されている。その陰極線と言うのがエネルギー流なのである。だから抵抗体の電圧負側から抵抗体の表面に均等にエネルギーが入射すると考えれば、図のような分布になるだろうとの予想を表現した。熱と光のエネルギーが放射され、エネルギーの入射、放射が平衡する。木炭などは結晶体とは言わないだろうが、電気的にはその構造の空間にエネルギーが貯蔵され赤く加熱される。電気抵抗は結晶格子構造を成し、その構成要素がそれぞれ単位要素としてLC構造体を成していると考えた。

むすび

電気回路要素の抵抗は電気を学ぶ最初に学習し、 誰もが基本として理解している筈である。然しその物理的意味を突き詰めると、LC構造体として理解することに辿り着いた。単位[Ω]が持つ意味は結局[(H/F)^1/2^]と言う空間構造の電気特性を持った科学技術概念であった。今振り返って、科学技術と理論物理学の間の関係が、その基礎の中味を掘り下げて観て、そこに関わる人の意識の問題に深く関わっていると思う。そこに市民に開かれた科学論の未来が託されていると思う。今とても感謝することがある。このブログに因って、書きながら自分の科学感覚を整理し、『エネルギー』に統一した認識に到達できたことである。過去の電気回路とスイッチの機能 (2016/06/01) から周期律表と抵抗率(2016/06/09) 電気抵抗のエネルギー論 (2016/06/15) などと書きながら、やっとここに辿りつけたと思う。浦島退屈論のようで情けない思いもあるが?

 

電気回路のエネルギー

電気回路の新しい解釈の『道』に踏み出そう。

自然の世界を理解するには『エネルギー』の空間現象を思い描くことが大切である。それが物理学の根本的理解の本筋・道筋である。兎角運動エネルギーの質量に囚われ易いが、それは回り道で複雑な迷い道に入り易い。確かに目の前に在る『物』を対象にして考えた方が目で確認できるから、理解が容易に思えるだろう。それはそれで良いのだが、物理学理論が空間に質量に関係しない『エネルギー』が存在することを認識していないことが理論の矛盾の根源を成していて、その事が教育の大問題となっているから困るのだ。『熱』と言えば質量の運動エネルギーで、押し競饅頭だか、ぶつかり合いだか知らないが、振動の運動エネルギーで解釈する現代物理学理論が間違っているのだ。すべて『エネルギー』が空間に存在している事を認識していない事から生まれている混乱・矛盾である。それは光がエネルギーの縦波だという事につながらない理由だ。光速度は質量の速度ではなく、光即ち空間の『エネルギー』の速度である。その光の速度は何が決めるかと言えば、空間そのものが決めるのである。光の光速度は空間定数(H/m,F/m)で決まる と述べた。物理学理論では、時空論が議論の対象になって居ながら、空間定数の透磁率や誘電率などはあまり重要視されていないように思う。科学技術の単位系の拠り所として、真空透磁率 μ=4π×10^-7^[H/m] が定義されている。上の記事で示した資料(1)の空間にエネルギー密度δ[J/m^3^] を想定して、質量の無い『エネルギー』の速度を書き加えた。

空間エネルギーの速度空間エネルギーの速度 電磁波も電気エネルギーもそれは質量の無い『エネルギー』である。質量の無い『エネルギー』と質量に伴う『エネルギー』とがある。運動エネルギーは質量に着目した『エネルギー』である。その値はE=(1/2)mv^2^[J] のように表される。このエネルギー量の大きさは単位ジュール値であり、それは質量ではない。質量m[kg]は物体として目に見えるから、如何にも質量が飛んでいるように見えるが、速度v[m/s]は『エネルギー』の速度なのである。質量を媒体として借りた『エネルギー』の速度がvなのである。この解釈をとれば、電磁波の『エネルギー』も質量の有る無しに関わりなく、その伝播するのが空間定数により決まる速度である。

速度の意味 速度とはある空間基準に対して何かが相対的に動いているその動きの強さを『速度』と考える。一般的な慣習ではある基準の時間当たりに動いた空間の位置の差を計った長さがその『速度』の評価量と看做す。単位は[m/s] が普通である。それは言葉も皆が共通に理解する解釈概念を表現したものである。しかし同じ物の速さを表現するにも、単位を逆の[s/m] としても理解できよう。この逆の概念なら、1m進むに要する時間は何秒[s]かで評価することになる。時間が小さい程速度は速いとなる。『速度』の概念一つをとっても観方でいろいろになる。もし例えば、光速度cを c^2^=(透磁率)μo×(誘電率)εo [(HF/m^2)]で定義すれば、それも速度の意味になろう。速度という意味は日常に溢れた言葉でありながら考えれば深い意味である。その速度の物理現象として電気回路での『エネルギーの速度』を取上げてみよう。

電気回路定数 電気回路定数は回路解析には無くてはならないものである。その意味を考えてみよう

回路定数回路定数

エネルギーと回路定数エネルギーの意味 『電荷』や『電流』でない『エネルギー』によって電気回路現象を解釈しようとすると、回路定数の意味が変わって見える。電圧、電流で回路解析をする手法は科学技術の部に属する事である。物理学として電気回路問題を扱うとすれば、『エネルギー』についての問題でなければならない。それが「理科基礎」の市民の科学リテラシーの未来への視点として大切であろう。

電気回路のエネルギー

電気回路現象(エネルギー描像)電気回路現象(エネルギー描像) 電気回路は電気エネルギーを扱う科学技術である。電荷を扱う回路ではない。『エネルギー』を電気回路ではどのように処理しているのかを解説しよう。どのように解説しようかと考えた時、少し時間を掛けてまとめなければならなくなった。電気回路のエネルギー(2)として記事にしたい。電界、磁界の意味をも含めて論じたい。電界とは?に古い記事を載せた。ここでは、その基本的な解釈を述べておこう。上の図の電線導体に沿ったエネルギー密度δ(x,y,z,t)が空間分布として存在する訳であるが、それは系統のエネルギー規模を決める『電圧』評価に関わる成分である。負荷によって負荷に供給されるエネルギー量は変化する訳で、図のエネルギー分布とは異なるものであろう。図の緑色で表現したエネルギー流がオレンジのエネルギー分布密度の一部分になると解釈すべきである。緑色のエネルギー流が磁気検出に現れる成分となる。

光速度は空間定数(H/m,F/m)で決まる

光の速度は途轍もない大きさである。一秒間に三十万キロメートルの先に進む。3×10の8乗メートル毎秒と言う早さだ。その光の速度が人間の感覚的距離感と余りにも離れ過ぎているため、科学の世界で多くの問題を投げかけてきた。最大の事件はアインシュタインの『特殊相対性理論』が詭弁論であり、アインシュタインの歴史的間違いであると私は解釈する。「マイケルソン・モーレーの地球の速度と光の速度との相対速度差の実験的検出の不成功」をそのまま鵜呑みにして論理の構築をした点にアインシュタインの誤算があった。しかも、その延長で権威に迎合した「一般相対性理論」が現在も物理学の宇宙論で議論されている。

光の速度を決めるのは、何も神様が決める訳でもなく自然の空間がその決定権を握っているのである。即ち、空間には二つの定数があると、科学・技術の世界で認められている。それが「空間の透磁率 μ0 [H(ヘンリー)/m]」と「空間の誘電率 ε0[F(ファラッド)/m]である。さてこのHとFの単位やその次元の意味を誰でもが理解出来るように説明することが求められている。しかし簡単に説明できないのが現状である。Hは電気のコイルの機能の強さを示す単位として使われている。Fは電気回路のコンデンサの機能の大きさの単位でもある。しかしその空間での意味をどのように認識するかは簡単ではない。これは哲学と科学との問題でもあり、大きな命題となろう。そこで、空間の透磁率、誘電率の単位に[m]が、1メートル当たりと言う意味で含まれているので、その方向をどう捉えるかだけでも説明しておきましょう。このような単位の意味を考えることが物理学や科学の本質であると思うが、素粒子論でも宇宙論でも全く意に介さない事が私には不思議でならない。この[m]の意味は電力技術の送電線路定数として基本概念である事に結びつくものと解釈する。だからこの距離[m]の方向性・ベクトルは光の進行方向を意味していると解釈しなければならない。その関係を述べるに数式が入る。そのことを図版を用いて説明する。4枚の図版の内の一枚目である。その(1)で、空間定数と光速度を三次元ベクトルとして捉える考え方を示す。上の図にある空間定数の数値は、真空透磁率μo=4π×10^-7^[H/m]、真空誘電率εo=(36π)^-1^×10^-9^[F/m]である。光速度cはc=((1/9)×10^-16^))^(-1/2)^=3×10^8^[m/s]となる。重要な結論として、光速度が透磁率と誘電率によって決まる事とその次元から時間の単位秒[sec] が(HF)の二分の一乗になると言う二点を認識しなければならない。この空間ベクトルに関する解釈には、単位ベクトルが重要な意味を持っている事を説明しておきたい。光速度の三次元空間上でのベクトルとしての解釈に、私なりの考えを基に工夫した。それが図版の(2)である。この空間ベクトルおよび単位ベクトルの解釈は一般的な数学では余り取り扱わないものであろうと考える。空間ベクトル解析と単位ベクトル に解説を追加した。またベクトルの割り算の算法についても触れてある。ベクトルの逆数をどのようなベクトル方向と解釈すれば良いかには異論があろうとは思う。そこで、その基本的考え方を提示してある。その手法に基づき、「微分演算子」の分母の方向ベクトルをどう捉えるべきか、その分子のベクトル方向との関係も考えた上での結論とした。この解釈に基づいて光速度ベクトルc空間定数の単位ベクトルのベクトル積として認識出来ると解釈した。ファイル(2)の末尾の 力密度 f=rot(S/v)とベクトル算法 は日本物理学会講演概要集第63巻 第2号 第2分冊 p.196 にベクトル割り算の規則として示した。

この光エネルギーの光速度については、電力系統の技術概念との関係で捉えた認識でもある。簡単にその回路定数と瞬時電力の概念を示したい。図版(3)である。

 

%e9%80%81%e9%9b%bb%e7%b3%bb%e7%b5%b1%e3%81%ae%e5%88%86%e5%b8%83%e5%ae%9a%e6%95%b0図に示すように大電力送電線路網は線路こう長が100km以上では分布定数線路として送電線路の特性解析をする。厳密には短距離線路でも同様であるが、単純なL,C,RおよびG(コンダクタンス)の集中回路として取り扱うのが便利である。送電線路は三相で、三本の導線で囲まれた空間を伝送路として制約されて電気エネルギーが伝送される。その伝播速度はほぼ光速度であるが、分布定数値のL[H/m]およびC[F/m]によって決まると解釈できる。エネルギーの損失は抵抗R、漏れコンダクタンスGに拠る。これらの回路定数も伝統的に築き上げられた有効な技術概念である。しかし、それら回路定数の厳密な物理的意味は明確に理解されている訳ではない。同様に図版の線路上に記した三相の電圧 e、電流 i も計測器の電圧計および電流計での測定値と言う意味である。その測定値の三相分で送電線路の全ての電力状態および回路特性の瞬時値を把握できる。それが『瞬時電力理論』である。その意味を電力技術分野の専門家は十分認識しているとは思うが、それ以外では余り知られていないかと思い、ここに提示した。20年以上昔に開発された新技術理論である。瞬時実電力 p[kW]、瞬時虚電力 q[IkVar](I はimaginary の意味を含む)で電力系統の瞬時状態を把握できる。その式を示しておく。これは、系統の電圧や電流の波形、周波数に一切無関係に線路状態を把握できる。三相送電線路の解析に三相正弦波交流理論など全く不必要と言えましょう。それだけの威力の有る理論です。最後に、簡単な電気の基本回路である乾電池と豆電球の場合にも、回路定数がエネルギー伝播速度を決めると断言しなければならない。その図版が(4)である。エネルギーは二本の電線で伝送路が局所化されて、その空間を通して豆電球に送られる。そのエネルギー流は古い概念ではあるが、重要なポインチングベクトルSにより、その伝播速度はやはり分布回路定数によると解釈しなければならない。

エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系」に空間定数と単位系について纏めてある。