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電池電圧と『エネルギーギャップ』

考えない理科の村で科学を学ぶ 科学リテラシーと言う用語がある。みんなが科学に理解ある社会に成ろうということなんだろう。しかしそれには余りにも多過ぎる分野と内容を覚え、記憶する必要が高い絶壁となって道にそびえる。科学リテラシーの最大の問題は教育する側の「考えない教育者」の問題であろう。日常生活での不図思い付く科学的疑問に答が得られないのは何故だろうか?『乾電池の電圧』は何故1.5ボルトなのか?『鉛蓄電池の電圧』は何故2ボルトなのか?答は突然難しい化学反応方程式で説明されて、『電子』が解説の主役の舞台の演舞場となる。観客は化学方程式を覚えないと『電池電圧』の値の訳が理解できないのかと、必死に科学の学習に努める。しかし、その内に『電池電圧』を尋ねる事も忘れて、理科の村のしきたりに同化されてゆく。こんな理科教育はいけないよ。どこにも『電池電圧』の訳を解説するものが無い。教育者が化学方程式から、『電子』をとりだして鉛蓄電池のセルの電圧が2ボルトに成る事を説明できなければ、『電子』による科学論の科学リテラシーなどと言えなかろう。『電子』を取上げる時、それには『質量』と『電荷』が対等にある筈なのに、電気回路に成ると『質量』は置いてけ堀にされるが、それで『電子』の顔がたつのだろうか。筆者も『電子』『電荷』という科学概念が理解できないため、『エネルギー』一つを頼りに考えて来た。電池の原理を問うで鉛蓄電池について述べたが、昨年からの電気回路の線路電圧のエネルギー分布の解釈が纏まった事から、電池電圧の意味を改めて考え直してみた。
何が電池電圧を決めるか

電池電圧の命題電池電圧の命題 電池には多くの種類がある。乾電池、鉛蓄電池、太陽電池更に燃料電池とその動作原理が異なるように見え、しかもそれぞれに決まった電池電圧の値を発生する。その電圧値に成る訳を説明できないようである。科学理論は数学の解析式で解釈するのが高度の科学論と誤解されているようだが、電池電圧値の訳さえも数式では決して示せない事を良く認識すべきだ。『電子』や『電荷』では決してその電池電圧値を論理的に説明できないのだ。
エネルギーギャップ 『電子』で電圧の発生原因を説明できないとなれば、他に何かその自然現象としての本質的な原因がある筈である。

鉛蓄電池の原理鉛蓄電池の原理 鉛蓄電池の基本単位はセルと言われ、その端子電圧が2[V]に決まっている。それを6個つなげると12[V]の電源となる。電池については全くの素人がこんな事を書き記すのは所謂科学者としては専門家から見れば論外の話に成る。化学魔の還元ー電池電解編 には標準的な解説が成されている。その解釈には満足出来ずに、上のような意味で電池電圧の意味を解釈する。電圧の発生原因を陰極電極の金属元素の鉛Pdと電解液の希硫酸H2SO4間の接触面で『エネルギーギャップ』が生じる事と観る。すべての電圧発生原因は陰極に掛かっていて、陽極は殆ど影響なしと解釈したい。更に鉛蓄電池の放電現象の説明を見ると、陰極面の鉛が硫酸との化学反応で表面が白く覆われると有るから、勝手に亜硫酸鉛PdSO3 が出来たからでないかと考えた。その意味は、陽極PdO2がエネルギー的に硫酸と平衡していると考え水発生の意味をエネルギー放出の原因と捉えたからである。燃料電池のエネルギー放出の直接的原因は水素と酸素の反応の水発生である。水は生命の基であるだけその世界は限りない謎を含んでいる。水のお伽の世界 に描いた絵図のように水の生成・分解は『エネルギー』そのものの根本原因を成している。鉛蓄電池も水の生成として陰極面の『エネルギーギャップ』を電池電圧の空間エネルギー分布として負荷へのエネルギー供給に資するものと考えた。

物質間のエネルギーギャップ 物にはその物に特有の特質がある。特に純度の高い金属、気体あるいは分子、原子となるとそれぞれ特質が際立つ。硫酸は物を溶かす化学的性質が強い。その製造方法では、硫黄から酸化硫黄更に水と反応させて、硫酸となる。その製造過程では、すべての過程で発熱現象を伴うように説明されている。普通は分子結合で発熱を伴えば、基の物質の方がエネルギーを多く保有していて、分子結合によって熱エネルギーを放射すれば、そのエネルギー分だけ結合分子のエネルギーは減少すると考えたいが、最終段階で出来上がった硫酸はその化学的反応作用の強さを考えれば、むしろエネルギーの保有状態が高まっているとしか考えられない。その訳が理解できない大きな疑問として残る。物理現象、化学現象を考える時、先ずその現象の前後に置いて、『エネルギー保存則』は成り立っているかを思う。鉛蓄電池の電解液と言う硫酸の化学的反応力は何故そのように強いのかをエネルギーの保有の対象物質への影響力に成るからだと考えたい。硫酸の持つ特有な性質が何故生まれるのかを『問答』として取り上げるかどうかが「考える理科」の課題であると思う。蓄電池は放電すると電解液の比重が低下する。硫酸が分解して、水分子に成る変化と考えたい。その『水』の分離のエネルギー放出を蓄電池のエネルギー源と考えたい。金属鉛と硫酸との二つの物質間の保有エネルギーレベルの境界面での処理現象が『鉛蓄電池』のエネルギー源としての原理と観たい。物質とエネルギーレベルあるいはエネルギーギャップの問題は熱エネルギーと金属の接合問題として、トムソン効果、ペルチエ効果、ゼーベック効果などに観ることのできる現象である。

電池の原理を問う

電気の不思議に魅せられて、自然の意味を説き明かす科学技術の大きな足跡として、ボルタの電池を挙げて良かろう。電池について、電池・電気分解に良く解説されている。しかし、残念ながらその解説では私は満足できない。理解できないのである。電圧ー物理学解剖論ー に乾電池の電圧は何故1.5ボルトなのかと疑問を呈した。マンガン乾電池は塩化アンモニュームや酸化マンガンを澱粉で練り合せて、炭素棒(+極)と亜鉛(-極)の電極材で構成されている。そんなうまい組み合わせを見つけた技術に感服する。1.5ボルトと言う標準電圧に決めた過程も中々興味あることだ。設計者・発明者はその電池構成が1.5ボルトになる事を理論的に認識していた訳ではなかろう。今、何故1.5ボルトになるかを問うても明確に答えられないのじゃないかと思う。乾電池の練り物が1.5ボルトと成る意味が分からない。これは日常生活の中の極めて科学技術の本質を問う『問答』のように思う。難しい一般相対性理論等の学問に対して、より市民科学のあるべき姿を問う問題であろう。一つの解決の道のりとして、乾電池の使用済みの電解質練り物の状態が初期状態と何がどのように変わっているかを調べる事かも知れない。しかし、決して利益を生まないかもしれない事には、現在の科学研究体制は許さない窮屈さに縛ららている。しかし、理科教室の場合はできるかもしれない。乾電池1.5ボルトの意味を探る実験。学校の理科教育・科学教育の在り方を問うのである。化学式で解説されるが、少し疑問に思うと、本当の事が分からなくなる。教える先生方は、その内容を深く理解しているなら、当然応えられる筈だ。電子が流れて化学式のように巧く説明され、実に世界の真理のような印象を与えるに十分な説得力を持っている。はじめて学習する子供達に対しては。その子供たちが学習すべき世界標準の教育内容が整っている訳である。その事がとても多くの学習すべき、記憶すべき負担を強いているとは考えないのだろうか。むしろ疑問を提起することで、より印象強く記憶に残るとも言えよう。

金属のイオン化傾向 これは化学の学習内容になるのだったか。金属元素にはイオンになり易いものとなり難い物があると言う。しかし『電荷』を否定する立場からすれば、原子のイオン化と言う意味さえ理解できないのだ。しかし、実際に原子の間にはイオン化と言う或る特性において、決まった序列が発生している訳である。その意味をどのように解釈するかの『問答』である。『熱エネルギー』で解釈したい。金属が溶液内で変化する溶融と析出の現象をどのように解釈するかである。物理学、化学では電子のやりとりで解説される。電子と言う意味を何で捉えるかと言うと決して『質量』では考えず、『電荷』だけで理解するだろう。全く『質量』のやりとりの意味を説明できないから。それなら電子等と言わずに、『電荷』と言えばそれで良かろう。物理学では、『質量』が無いと論理を展開できないジレンマを抱えているのだ。『電荷』だけが独立の世界の実在とは言えないのだ。

硫酸銅に亜鉛板を入れた時の現象 イオン化傾向と言う金属特性の解釈法。原子量の小さい原子程、一般的にイオン化傾向は強い。亜鉛Znと銅Cuでは、亜鉛がイオン化の力が強い。だから亜鉛が融け、硫酸銅の銅が固体金属として析出すると言う風にイオン化傾向で解釈される。何故金属にイオン化傾向と言う差が生じるかは問わない。イオン化傾向と言う順序を覚える事を要求される。イオン化傾向と言う金属元素間の物理現象の意味は、熱エネルギーのやりとりの問題なのである。亜鉛が融解し、銅が析出するのは銅から『熱量』が亜鉛に移動する現象である。電解液の温度の環境下で、銅と亜鉛の保有エネルギーの余剰と不足の関係から起こる金属元素間の物理現象と観る。固体の状態がその元素の保有エネルギーレベルのより低い状態に在ると観る。融解するには熱などのエネルギーを吸収する必要がある。分子より原子の方がエネルギーレベルは高い。燃料電池は水素と酸素のエネルギーレベルの高い元素が結合する事により、水分子のエネルギーレベルの低い状態になるから、余剰熱エネルギーを放出し、動力源として利用できるのである。金属だけではない。水の沸騰も気体になるには蒸発熱を吸収する現象である。元素には特有の熱エネルギーに対する特性差が潜んでいると解釈したい。原子と分子の妙 を書きかけのまま結論がまとまらない。物理・化学の基本問題に素人が意見を書く失礼をご容赦ください。燃料電池は水素が燃料だ。エネルギー問題で、自動車の排気ガスはなくなり、水だけを排出するから空気汚染は解決される。しかし水素製造には電気エネルギーを使わなければならない。その社会システム構築に費やすエネルギー消費問題は、経済成長と言う美名の基に隠されてしまう。地球温暖化の問題が燃料電池自動車で解決される訳でない事を科学技術社会の基本問題として捉えた置かなければならない。水素を創るエネルギー消費と燃料電池の社会的エネルギー消費問題。

鉛蓄電池 1859年、フランス人プランテの発明とある。鉛蓄電池は今も使い続けられている優れた発明だ。150年以上使われ続ける科学技術製品だ。驚くべき歴史を踏襲した製品だ。そんな意味も意識したい。鉛蓄電池も『熱エネルギー』で原理を解釈したい。

鉛蓄電池の解釈鉛蓄電池と陰極

『電荷』否定の新しい蓄電池の解釈を図に示す。鉛蓄電池の電極は陰極の鉛と陽極の酸化鉛で構成される。硫酸が電解液で、陰極の鉛が溶融して、硫酸鉛となると、蓄電エネルギーが消費され減少する。陽極の酸化鉛(二酸化鉛PbO2で上の図に誤りあり)は教科書的解釈では、水素による阻害を抑える減極剤としての働きを兼ねていると。もし陽極も鉛Pbなら電池にならない。鉛蓄電池の原理は陰極と硫酸との境界面に全てが組み込まれていると観る。イオン化傾向で、PbとHは隣接する。硫酸に亜鉛を使えば、激しく反応して、やはり電池にならない。穏やかに蓄電エネルギーを放出できるのは、隣同士のエネルギー保有差が小さいからと考える。鉛が融解して硫酸鉛PbSO4になる時、保有熱エネルギーを放出する。この保有熱エネルギーと言う意味も分かりにくいかもしれない。それは、原子構造が電子概念を否定したうえでの解釈でなければ分かりにくいと言う事になろう。上に挙げた『原子と分子の妙』のエネルギー流の磁気模様で捉える必要がある。磁気エネルギー流は、その量的増減は自由に変化しうると考えれば良かろう。その環境自身がエネルギーの空間だから、エネルギー吸収・放射も変化しうる自由にある。鉛の外界へのエネルギー流の影響と希硫酸の電解液のエネルギー環境との間の何らかの干渉がエネルギー不均衡の修正として関係づけられると解釈する。それが鉛の融解現象の意味との理解である。更に水素も酸素と反応して(燃料電池)更にエネルギーを放出する。その合成分が陰極から負荷に供給される電気エネルギー(熱エネルギー)である。この解釈では、陽極は殆どエネルギー放出に関わらない。その為、鉛蓄電池の『電圧』は陰極と電解液の接触面に、その全ての原因を秘めていると観る。図②にその意味を示した。熱と電気の関係は雷は熱爆発に於けるものに同じである。

水のお伽の世界

突然未知の藪に入り込む。水の世界は有り触れていながら、不思議がいっぱいだ。水には人の心を癒してくれる不思議な力が秘められている。信濃川の河原で、石に腰掛けて水の流れを見つめる。流れる水の面は時々刻々と同じ流れには成らず、変化し続ける。その変化の模様に心を乗せていれば、その流れは必ず心を癒してくれる。そこには自然科学など不要だ。今は水の流れを眺める余裕がない。ストレスを静かに流してくれる事請け合いだ。どうか試してみて欲しい。ただし、石河原で、石の面を流れる水の変化する浅瀬が望ましい。水のお伽の国に、科学のこころを遊ばせに行こうと思う。
お伽の国にも水も酸素も水素もあるという。薪を燃やして魚を焼く。火の後始末に水を掛ける。あかあかと燃えていた火も、真っ赤な薪も一瞬にジューと音をたてて熱が消えてしまう。暑い熱を水が白い膜に包んで隠してしまった。水の様態

お伽の絵図 水の意味を知りたくて、お伽の絵図にしてみた。この絵図は科学論と言うより、疑問をその思うままに表現したものである。大変身近にあって、いつもその御蔭で生きている。『水』、『酸素』さらに『水素』がそうである。酸素原子一つと水素原子二つが結合すると、水分子H2Oとなる。酸素が関わる燃焼により、水が生じる。それなら自然界では、水は酸素と水素にならないのだろうか。理科実験で、水の電気分解では酸素と水素に分解されるようだ。電気分解で、水の温度が下がると検索に出ている。それは本当か。もし本当なら、電気分解とは電気のエネルギー(特別電気のエネルギーがある訳ではなく、熱エネルギーと同じ物でしかない)を水に供給する訳だが、更にそれでも足りないで、水自身が保有するエネルギーまでも水分子の分解に消費する事と理解しなければならない。温度の低下は確認していない。しかし、水が酸素と水素に自然界で分解する仕組みがなければならない。どのような自然の仕組みかが物理の科学として重要である。

酸素の生成 自然の神秘は全てが変化し続ける輪廻転生に有る。宇宙も同じままには留まり得ない。お陰さまでの地球の生命も酸素も常に変化の中に存在する。地球の生命の仕組みは、植物があればこそだ。水の中の藻や名も知れぬ草、邪魔にされる雑草がどれほど生命を育てているかを知らない。身の回りの神秘を未だ科学は説き明かしていない。太陽が植物を育て、地球を大きくして来た。太陽は光で地球の生命を育んできた。光のエネルギーが全ての質量となる。

オゾンO3 以前、上空のオゾンホールと言う話題も聞いた。酸素ではあるが、少し活力が強いのかと。太陽光線が地球に降り注ぐが、上空のオゾンO3の御蔭で、人がその紫外線から保護されていると言うことだ。オゾンも酸素の活性化されたものらしいが、何故オゾンが紫外線を吸収するかの理論的根拠も理解できない。上空に、酸素分子O2が何故オゾンO3となって層を成すと考えるかも理解できない。オゾンと酸素の違いも分からない。ここまで考えると、もっと大きな疑問が湧く。

何故分子であるのか 水素も酸素もH2あるいはO2と二つが対になって安定した存在となる。これはアボガドロ定数の意味にも関わる基本的問題である。自然科学論は、その原理的意味を考えるより、『自然はこのようである』と言う捉え方で満足しているもののようだ。ヘリュウムHeは不活性だから、分子で考える必要がないのか。He2と言う分子で存在するかどうかも知らないが、気体であるから、その場合もアボガドロ定数は同じなのか。即ちヘリュウムの場合も酸素の場合も同一体積内には同一の原子数が含まれるというのだろうか。そこで、酸素分子、水素分子は何故二つが対になってしか存在しないと考えるのか。と言う問題に初めてなると思う。『電荷』での結合には無理があるが、それにしても対となる論理的意味付けが出来るのだろうか。科学論は「何故」と問う事から始まる。こんな疑問はせいぜいお伽の国でしか通用しないのかと言う問題になる。

ボイルシャルルの法則と分子 酸素と水素は通常気体である。気体は熱などのエネルギーを加えると、ボイル・シャルルの法則に従う。気体の圧力p[N/m^2]、体積V[m^3/kg]そして温度T[K]とすれば、pV/T=一定値[J/(K・kg)]がボイル・シャルルの法則の基本形である。しかし、厳密にこの関係式が成り立つとは言えまいが、基本的にこのような圧力・体積・温度(熱)の関係で捉えたい。ただ温度と熱エネルギーは気体や条件で決まった関係には成るまい。現代物理学では、気体に対して「気体分子運動論」がその解釈の主流になっている。それは分子が熱などのエネルギーを得ると運動エネルギーとして分子の活性化に働くという解釈である。その現代化理論が、アインシュタイン以降の量子論と相まって、気体分子運動論での解釈になっている。分子がエネルギーをその質量の運動エネルギーとなるという解釈を筆者は受け入れない。気体はあくまでもその分子の体積膨張として捉える。だから、現代物理学論での解釈でなく、古典的体積膨張の解釈で捉えたい。そこには原子そのものの空間的体積占有量が大きく変化するという見方で捉えるのである。だから、アボガドロ定数などが役に立たないと考える。気体分子が運動力学に従って、運動エネルギーとして保有するという論理性が怪しく思える。理論だけが先走っている。酸素も水素も熱エネルギーにより、運動でなく静止のまま体積膨張をするという解釈を採る。『温度とは何か』が問うもの

水は何故存在するか 水は分子H2Oである。宇宙にも水は溢れていよう。氷の彗星と言うから。水の意味を考えるなら、当然酸素も水素も何故存在しうるか地球上に誰がその存在を創りだしたかを考えたい。植物が酸素を創るという。しかし、植物が水素を創るとは言わない。水は酸素と水素があって初めて存在し得る。空気中の成分分析結果が検索で得られる。大気成分の分析法は?の結果はどのように分析されたかを知らない。そこには水素は無い。大気中で、酸素と同じく、水素が共に存在しないで水だけが存在するとは信じられない。水蒸気は水の大気中の成分である。植物が太陽光線をエネルギー源にして、光合成と言う反応を通して、酸素を生み、水素を創るのだろう。しかし、水素は水素受容体NADP等と言う物で解釈されている。その意味は理解できない。水を植物が分解し、酸素と水素を作り出す。またその酸素と水素から、植物が水も作りだす。天然の精水春の生命が噴き出す植物には水を創る夜の役目がある。酸素と水素から水を創りだすのだ。そのエネルギーを命に変えていると観る。燃料電池のエネルギーの発生と同じ仕組みだ。

燃料電池 水の電気分解の逆が燃料電池である。水の電気分解と同じ水の分解を植物の光合成で行っている。太陽光線をエネルギー源にして。

水の保有エネルギー 水にまつわるエネルギーの循環を考えたい。水素爆発(7%の水素濃度で、爆発現象を引き起すという)とはどんな現象であろうか。 『水素』に思う  にも書いた。酸素と水素の保有するエネルギーが大きい。結合すると水のエネルギーが少ない為余分のエネルギーを放出する。それが燃料電池としてのエネルギー源になる訳である。電気分解や燃料電池と言う科学技術の水にまつわる現象が、自然界ではおもに植物を通して営まれていると考えたい。太陽光線と植物が地球の生命の源泉になっていると考える。

水と風の妖精  に水蒸気や風と水を結んで見た。お伽の絵図に酸素、水素と水を描いた。また印刷が出来ないのだろう。どういうことか?

『水素』に思う

今朝の直覚は水素が急に頭に浮かんだ。「浮図」と言う用語は急に図となって頭に浮かぶと言う意味なのだろうか。昨日は、電荷否定は科学的発見か と直覚に絡めて書いた。歳を取ると、理屈や計算は苦手になる。せめて過去に辿った頭の経路の中から関連した事象を引き出して、科学的解釈をする以外はない。2011/03/11東日本大震災での福島第一原子力発電所の『原子炉崩落事故』で気掛かりのことがあった。『水素爆発』である。水素が空気に触れると、7気圧の爆発力になることは工業高校で生徒に教えていたので知っていた。その凄まじさに、新聞記事での写真に遭遇してその水素爆発の意味を改めて考えてしまった。まさか、『陽子爆発』と言う意味ではないのだろうと疑念のままで来た。陽子と水素の違いはなんだろうかと考える。何も違いは無いだろうと。

水素の命名者は誰か? 元素名がそれぞれ成程と言う思いにさせる用語で付けられている。IT検索で、塩素を調べた。幕末の蘭学者 宇田川榕庵が「舎密開宗(セイミカイソウ)」に塩酸の翻訳用語で表したらしい。しかし水素を誰が初めて使ったかは分からない。それにしても、『水素』と言う命名は誠に巧いと感心した。また、元素に『素』の字を使う語感にも感心する。昔の日本人は、優れた翻訳の語感を持っていたと改めて思う。今日の直覚は酸素、炭素、窒素の日本語の命名者は誰かと思った事からである。漢字『素』を自分も使いたい。世界を構成する基が『エネルギー』であると考えた。その『エネルギー』の日本語訳に『素原』を使いたい。何処か『元素』に似ている。『エネルギー』が世界の「素粒子」である、それが前からの思いである。

水素の発見 1766年ヘンリー・キャヴェンディッシュが分離発見したらしい。1783年アントワーヌ・ラヴォアジェがhydrogeneと命名したらしい。その日本語訳を『水素』としたのは巧い翻訳と感心する。物理的には、陽子と水素の判別が分からないけれども。それは電子の実像不明である故。電荷否定について『電荷』という虚像 をご覧いただきたい。

水素製造の消費エネルギー とても不思議に思っている事がある。『燃料電池』のことである。新しい発電方式として、急に脚光を浴びて、実用化が進められている。家庭の発電方式やハイブリット自動車などに燃料として使われる。水素の製造過程で、どれ程のエネルギーを消費するのかがとても気掛かりだ。エネルギーを生み出す原料・燃料『水素』を造り出すことになるが、その製造工程でのエネルギー消費量がいくらなのかという素朴な疑問が解消しない。家庭の発電方式で使う場合は、その機械の製造から材料の調達・発掘すべての産業の関係したエネルギー消費量を計算して、発電エネルギー量との損得勘定を明らかにする必要があろう。燃料自動車は確かに、排気ガスでは水だけしか排出しないから、環境の問題は幾らか改善されるだろう。地球環境過熱化の問題は科学技術全体のエネルギー消費量の総量で抑制する方向でなければならないのである。経済成長と言う視点だけで、政策・技術が論じられ、推進され易い現実を未来の為にどう考えるべきかが問われているのだ。悩ましい問題に、リニア新幹線問題がある。どれ程エネルギーを多量に使うかを考えているのか?地球がどんどん過熱化されて、植物が枯渇し、生物の多様性が消滅し、生態系全体が崩れた時、すでに人間もその生存が不可能になることを認識したうえで、エネルギー消費を競って行くのだろうか。北極海の航路開設とエネルギー掘削など、温暖・過熱化の加速である事を。水素熱資源活用の問題を地球過熱化との視点で見るべきだ。

燃料電池の原理? 水素の酸化現象。それが化学反応によるエネルギー発生の原理らしい。化学反応式で表せば、 O2+2×H2=2×H2O+E(エネルギー) となるようだ。こんな単純な化学反応でも、水が生まれて、エネルギーを利用できるとは大変なことに思える。原料の酸素と水素の保有する熱エネルギーと化学反応後の水の保有して排出されるエネルギーおよび利用される熱エネルギー(あるいは電気エネルギーと言うのかもしれないが)(損失も含んで)等の総エネルギー量は幾らなんだろう。原子が結合すると何故エネルギーを放出するのだろうか。『質量とエネルギーの等価性』から解釈すれば、水素と酸素が結合して、どんなエネルギー変換を引き起すのだろうか。どの質量がエネルギーに変換するのだろうか。そのエネルギー変換現象の物理的意味を理解できないのである。燃焼と言う熱エネルギーに関する関係記事、燃える『酸素』の力とは?および太陽は何故燃える? がある。