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熱電子と熱エネルギー

歩んだ道は・・」教育に生かせない道だったか?

  • (2022/10/07)。このブログ記事で公開することが、御迷惑になるのかとの心配で公開を止めていた。
  • 現代の情報化社会の原点は、その科学理論としての『電子論』に在るのだろう。現在の半導体による電子工学、電子回路の基は真空管回路にあったと思う。その意味が『エジソン効果』と言う実験の解釈に有ったことを知った。エジソンの白熱電球の現象であった。白熱電球の放射熱エネルギーを『熱電子』と解釈したと言う事だった。白熱電球の放射現象を『熱電子』の放射などと考えるだろうか。真空管は基本的には、白熱電球のフィルメントが陰極と成った真空ガラス管と同じであると気付いた。

真空管、それは白熱電球にその起源があった。

『エジソン効果』

1884年にエジソンが白熱電球についてとても面白い実験をしていたことを知った。それが上の②図である。どの様な意図で白熱電球の中に、別にフィラメントを覆うような電極を付けたのか、その発想の尋常でない事に驚く。その意味が真空管の誕生に繋がっていたようだ。その20年後に2極真空管が発明された。末尾に参考年表。

『電子』、『自由電子』が白熱電球からの歴史に関わっている事を知った。『電子』が負の『電荷』と言う現代物理学理論の歴史の発端に白熱電球があったと理解した。

とても心苦しい事ではあるが、この自然世界に『電荷』は存在しないと言わなければならない。その事を物理学理論の根源に置かなければ、子供達への未来の教育とはならない事を伝えたい。その意味で、もう一度『電子』の物理的意味、概念を白熱電球のフィラメントの『熱エネルギー』との関係で考察して置きたい。決して『熱電子』などと言う負の『電荷』量子が空間電荷効果の基になっていた訳ではない。

筆者が論じる内容は、とても学術論文になるような内容には見えない筈だ。実験室の中からでなく、日常接する自然の風景に感応しながらの感覚的思いからの日常生活論とでも成ろうものである。

しかし、ただ一つの科学理論への革命的実験結果がある。それは、ロゴウスキー電極空間に3万ボルトの直流の高電圧を掛け、その中のコンパスの指し示す方向を探ると、印加する電圧の値に依ってコンパスが指し示す方向が変るのだ。その意味は、電気磁気学理論の『電気(電界)』と『磁気(磁界)』は異なると言う解釈の間違いを示しているのだ。『電界』も『磁界』も空間に在る『エネルギー』を解釈する人の解釈論に因る事で、自然世界の純粋さは『エネルギー』一つの世界であることを示しているのだ。その実験結果が、全ての科学理論の『電荷』概念に基づく解釈の見直しを迫る筈だ。

その意味を説く例として、『エジソン効果』を取り上げる。

LEDに白熱電燈が取って代わられる。何時の日か、白熱電球とは何ですか?と時代遅れを笑われそうな思いにある。高輝度のLEDランプの自動車前照灯に目が眩む怖ろしさも、安全運転に注意しようと‥。

エジソンが追加して実験した電極が、2極真空管の陽極Pであったのだ。白熱電球のエネルギー変換の物理現象は、身近で誰もが目で観察できる日常生活科学論の代表的観察例題である。量子力学を学ぶ前に、自然の姿を直接感覚に落とし込む、光と熱の『エネルギー』の意味を身に感じて欲しい。光や輻射熱は、最近は禁じられるが焚火の炎の『熱』も『光』も傍で体に感じれば、温かく仄かな灯りに、揺らめく灯に心も静かに穏やかに揺らめく筈だ。その焚火の放射の物理実体も、白熱電球から放射される輻射物理実体も何も違いのないものだ。光に違いはない。熱に違いはない。その光や熱が空間を伝播してくるものを、人が受け止めるのだ。その空間を伝播するものを、どの様な物理的実体と理解するかが大切なんだ。それが空間を伝播する『エネルギー』なのだ。その『エネルギー』と言う最も大切な自然世界の物理的実体を、どれだけ科学理論の中に認識しているかが、とても曖昧に思えるのだ。電球から放射される『エネルギー』を認識しているだろうか?

白熱電球から放射される『エネルギー』を真空管では『熱電子』と言ったのだ。決して『電荷』など持たない熱を『熱電子』として、真空管の『空間電荷効果』と言う理論で、電子工学の基礎理論となって来たのだ。筆者も初めて、工業高等学校で(身分は?)授業担当が『電子工学』の真空管のお話から始まった。勿論空間電荷効果は『熱電子』の理論に因って理解し、解釈し、教えさせてもらった。学習させて頂いた参考書が右の本だ。「電子工学の基礎 ⅠおよびⅡ 」 W.G.ダウ 著、森田清 他訳 共立全書。である。 豊富な図解でとても詳しく、勉強できた。もう一冊は「無線工学Ⅰ 伝送編 新版 宇田新太郎著 丸善」である。分布定数回路の学習で、とても良く解説されていて、参考になった。

その当時(1964年)の電子工学は真空管回路がまだ基本になっていた。しかし、その年の秋10月10日は、日本でのオリンピック開会日であった。テレビジョン放送もカラー放送であったと記憶している。だから、TVも既にトランジスタ回路だったかもしれない。

その後、『発変電』、『送配電』そして『電気機器』その他『電力設備』等の電力系が主な担当科目となった。ただ「電気理論」は工業高等専門学校での全くの未経験科目として『電気磁気学』の担当経験をさせて貰った。結果として、その『電気磁気学』の授業担当の経験が『電荷』の物理的概念への疑念の始まりとなった。

そんな過去の担当教科科目を経験した事から、今、理論物理学という科学理論の基礎科目である現状を考えた時、決して『電荷』や『電子』が基礎概念とされている現状は、未来の教育内容として、その概念の矛盾が耐え難く、科学理論もその点で学問の自由という意味がどの様な事であるかを考える視点ともなるかと思う。特別専門的知識が無くても理解できるような内容でと易しい言葉で述べた心算だ。その意味で、誰にも参考になる形式の科学論であると思う。このブログ記事は、その意味で十分役立てると思う。

ただ、『電荷』や『電子』の否定と成れば、基本的な視点が現代科学理論の、解釈の基礎概念、教科書の解説と異なる事が多くなる。それは社会的な意味で問題ではあろう。

真空管の制御電圧 vg (グリッド電圧)が真空管内の内部空間の『熱エネルギー』の分布状況を制御するのであった。その『エネルギー』の分布を『空間電荷効果』と解釈して、『熱電子』の制御と解釈したのである。その『熱電子』の意味がトランジスタ理論での『電子』制御論に引き継がれたのだ。

電子工学の始まりが真空管であった。その解釈が半導体に引き継がれた。『電子』概念が生まれた意味がそこにあった。白熱電球の『熱エネルギー』を『熱電子』と解釈した。

放電現象と電荷・電流概念

(2012/03/13) ここに記した内容が『電流は流れず』の記事の説明に良く纏められていると、読み返して思う。後程、図を拡大し直す。

 物理学基礎概念に『電荷』がある。電磁界現象に関する論述には、その基礎論の論拠になるのが電荷である。電荷概念なしに理論の構築は不可能である。しかし、電子の負電荷が実在するかと問えば、その実在性を証明する事は不可能である。

(2022/02/25)訂正追記。

図1.の十字形に電圧は掛かっていない事を知った。間違いであった。

(2022/02/25)訂正追記。以下に記事で、十字型の電極にはプラスの電圧は掛けられていない

「2の十字形の+電極の近傍を通過した」間違い。

電子が放電管の蛍光面3に十字形の跡を浮き上がらせる。この実験を通して、何かが1から3に放射されている事は確認できる。

それを「陰極線」と言うことから、現在は「電子」と言うようになった。しかし電子と呼ぶのは結構であるが、電子が「負電荷」と言うものを持っているという解釈、概念は、何故かという問いに答えられない。その説得する論理性は持ち得ていない。陰極からエネルギーが放射されて、蛍光面にそのエネルギーの衝突で光に変換されたと解釈するなら、矛盾は無い。

(2022/02/25)訂正追記。

以下の「・・」は間違い。「しかし、負の電荷をその電子の具象概念と解釈するとすれば、何故2の十字電極に吸収されずに、まっすぐ3の蛍光面に十字の影を作るか。」

また、電荷概念の力に関する基本法則はクーロンの法則である。近づけば逆二乗に反比例した強力な反発力で反発分散せざるを得なくなる筈である。しかし、この放電管の放電体の電子には、負電荷同士の反発力など何処にも確認するだけの根拠が見えない。自由に電子ビームは収束・分散の制御ができると言うことは、電子同士に電荷概念に基づく反発力など存在しないと見ざるを得ない。ブラウン管式テレビでも、電子顕微鏡でも、誠に巧妙に電子ビーム制御が行われる。

 図2.のガイスラー放電管の内部放電現象も中々複雑な模様を作り出している。この縞模様も単に電子が通過する事によって、出来る模様だと説明するだけの根拠がある訳ではないと考える。

 図3.のハミルトンの風車について考えてみよう。私が新潟県立新津工業高等学校での最初の学校公開祭で、高電圧の実習装置の公開実験に選んで行ったのがハミルトンの風車であった。卍形の電気銅線で直径40センチ程の大きなものに、電圧3万ボルトを掛けた。負電極においては、相当の回転速度で回転する。正の電圧に比べて、負極性で力強い高速回転をする。これは、確かに「イオンエンジン」としての宇宙空間での強力な推進力となるものという感触、手応えを感じる。

 最後に三極真空管を取り上げてみよう。今は昔の技術になってしまった。5球スーパーヘテロダインラジオなどと言うもので、世界の情報を手にしていた。もう博物館級の技術になった。この真空管の中も、電子と言う陰極線がカソードKからプレートPに流れる放電管と言える。電子の空間電荷の分布密度、いわゆる空間電荷効果と言う概念を利用した、エネルギー制御管である。この真空管の内部を通過するものも、熱陰極から放射される電子と言う解釈で理論が構築されていた。勿論、電子の逆向きに流れる電流などと言うものは流れていない。管内を流れ得ない物が真空管の外部導線の中を流れる電流などと言うものが実在する訳が無い。

 ここに取上げた放電現象の原因たる主体の物理学的正体は何か。と言う命題が持ち上がる。どれも電子がその正体であると解釈されてきた。負の電荷を身に纏った素粒子であると。ところが、導線を流れる電流と言う概念、あるいは電流の正体は、どのような特徴で認識されるかと問われれば、導線の周りに存在する磁気の強さで、その導線内に電流が流れていると解釈するのである。それでは、磁気があるということは磁石を近づければ確かめることはできるが、磁気の存在を確かめたからと言って、何も電流が流れている事を証明したことにはならない。何故かと言えば、電子には、負の電荷を纏っているとは定義されているが、磁気を纏っているとは全く考えられてはいないのである。だから電子が流れても、決して磁気が遠隔作用によって、導線の近傍に生じる等という理屈は成り立たないのである。逆に昔、磁気現象の存在の確認で、電線内に電流と言うものが流れているからだと決め付けてしまった事が誤解の原因となってしまっただけなのである。電子にはスピンという特性が備わっているとは言われているが、スピンが導線外部の磁気発生の原因になると説明できる論理性は無い。磁気も空間のエネルギーであり、電流が存在するからエネルギーになるなどと言う解釈は、余りにも幼稚で、論理性を無視した理屈と言わなければならない。

 結論は、全て『エネルギー』そのものが空間に存在するのである。導線の周りにも、エネルギーが流れているのである。放電現象の全てが、電荷などと言うものによって生じるものではなく、エネルギーそのものの流れである。しかも導線の中などには、エネルギーもほとんど入り込めないのである。内部に侵入したエネルギーは熱エネルギーに変換して、損失となるものが多くなる。電源の負側から負荷を通って、電源の正の側に流れると見なければならない(2016/06/30追記)この電源の正側に流れ込むは訂正しなければならず、放電管もそこでエネルギーが消費されると解釈すべきである。量子力学として、現代物理学の基礎をなす場合の、半導体素子の内部制御理論も、原子構造内部の格子構造内を通過するエネルギー流と解釈すべきものである。全ての統一的現象論はエネルギー一つで捉えるべきものである。