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LとCと空間エネルギー

電気回路には回路要素のLとCがある。インダクタンスLもコンデンサCもエネルギー貯蔵要素だ。インダクタンスLの値はその形状と寸法で決まり、「長岡係数」と言う係数もある。コンデンサCもその形状と寸法で値が決まる。勿論それらの空間環境を占める磁性材料や誘電体材料によって大きく影響されることは当然である。

形状と寸法で決まる訳は何か 時定数から観る電気現象で『問答』にしたL,Cとの関係についての参考記事でもある。電気現象の本質がすべて導体や誘電体、磁性体とその近傍における『エネルギー』の振る舞いによって様々な特性を表すことに在る。すべては空間のエネルギーの存在形態として見ることも出来よう。だから『エネルギー』の貯蔵空間の意味によってインダクタンスとかコンデンサとかの電気要素で捉える分け方になると言えよう。ただ『エネルギー』の量がその要素の空間の大きさで決まるのか、その形状を構成する空間の何が大きく影響を与えるかなど不明な事も多い。そこで、回路要素の形状と機能を『エネルギー』から考えてみよう。

空間エネルギーとは? あまり馴染みのない用語かもしれない。物理学理論には質量を伴わない『エネルギー』の存在、その概念があるのかが分からない。世界は『エネルギー』から出来あがっていると思えるから、物理学理論が理解できない。筆者の頭脳の能力が劣っていると言われれば止むを得ないが。周りを見渡せば、光が世界の姿を教えてくれる。その光はどんな素粒子から出来ていると物理学では考えているのだろうか。太陽から届く光の『エネルギー』は何からできていると考えているのだろうか。その身の周りに在る全てのエネルギーが『空間エネルギー』の姿であると言うのが筆者の考えである。電線路を伝送される電気の『エネルギー』も星から届く星座の光もすべて空間を通って流れる『エネルギー』の姿である。それら全てが『空間エネルギー』である。電熱器のヒーターが熱い熱源として働くのも、白熱電球のヒラメントが光源として働くのも、いわゆる抵抗体の内部に『エネルギー』が蓄積され、その貯蔵限度を超えた『エネルギー』が空間に放射されるだけの現象でしかない。質量のタングステンヒラメントの内部は空間構造を成していると看做せて、そこに『エネルギー』が貯蔵されているのだ。それも含めて『空間エネルギー』と言える。電気回路要素のコイルやコンデンサも『空間エネルギー』の貯蔵空間を構成している構造体である。ただコイルやコンデンサは抵抗体と違って、貯蔵した空間エネルギーは外部空間に放射はされず、必ず電気回路内の空間を通して、電源に回生される。だから基本的にはエネルギーの消費はしない。『エネルギー』を処理しながら、消費しないから結果的に利用されない無効の『エネルギー』なのである。その電力が無効電力と言われる訳である。放送電波や携帯情報端末で取り入れる電波はその電波の波長に同期する共振回路で、空間エネルギーの縦波を取り込み、コイルやコンデンサ内の『エネルギー』を選別して利用している毎日である。空間を『電荷』が光速度で飛んでくる訳では決してない。光の縦波の『エネルギー』が空間と共鳴状態(誘電率と透磁率)で伝送されているだけである。みんな空間エネルギーである。

回路要素と空間エネルギー 空間を電気技術から観ると真空透磁率μoと真空誘電率εoと言う基本定数によって解釈する。空間に存在する『エネルギー』は電気技術的観点から解釈すれば、必ず透磁率と誘電率と言う定数によって判断するように習慣づけられていた。その空間定数と同じ観方で、LとCを捉える。真空透磁率や誘電率が自然の眞髄から観れば、その深い哲学的な意味までは理解できないでいる。一つの自然解釈法の基準定数として理解しているに過ぎない。その観方からすれば、インダクタンスと静電容量のエネルギー貯蔵機能も統一的に解釈できれば良いと思うが難しい。

LCとエネルギー LとCおよびRの違いは何だろうか。先ず初めにはっきりさせておきたい事がある。導体のエネルギーに対する解釈である。一本の導線を張れば、その空間に今までと異なる影響を生み出す。エネルギーが基本的には導体を反射体として捉えるだろう。導体の中に侵入すればおそらく熱エネルギーとして消費されるだろう。極端な例が『超伝導体』である。エネルギーロスが無いと言うことは超伝導体が完全反射体であるからである。逆に抵抗体は極めて効率良く空間エネルギーを内部構造体の中に取り込み熱エネルギーとして貯蔵する特性を持った要素と看做せる。貯蔵限界まで蓄えた結果温度が上昇し遂には放射源となって発光、発熱作用現象を呈する。抵抗体の単位を[(H/F)^1/2^]と評価したのも、エネルギーに対する空間の意味を統一的に捉える観点からである。科学技術法則の単位のΩの優れた点とは別に、自然の物理的、より深いつながりを重視した一つの解釈法でしかないが。LとCについては個別に考えてみたい

Lと空間エネルギー リアクトルと言う用語は電力技術用語かもしれない。それは電力用誘導性コイルと言う意味で捉える習慣だ。リアクタンスはコイルとコンデンサの両方に使う用語だが、電力技術では主に誘導性のコイルが主要な回路要素であるために、その用語を代用したのかもしれない。インダクタンスよりリアクトルと言う使い方が馴染みやすい。変圧器もモーターも殆ど鉄心がその主要な構成材となっている。銅線以外は鉄で出来ていると言えよう。電気磁気学のインダクタンスと言う概念と感覚的に電力技術での捉え方には違いがあるかもしれない。『空間エネルギー』の解釈には、リアクトルと言う鉄と銅線から構成された電力機器が頭に浮かぶ。そこでリアクトルと言う捉え方で、電力用インダクタンスLの意味を考えてみよう。

(L-1)ギャップとインダクタンス E I 型鉄心を用いて、コイルNターンを二脚に巻いた。鉄心EとIの間にギャップgがある。そのギャップ寸法が電気要素としてのコイルのインダクタンスにどのような影響を及ぼすか文献(1)が参考になろう。ただgの寸法がインダクタンスLにどんな関数関係で影響するかは、その意味が明確ではないように思う。『空間エネルギー』が鉄心ギャップ部分に集中して存在する事が大きくリアクトルの特性に影響を及ぼしていることは間違いない。ギャップgが小さくなるほどLは大きくなる。しかしg=0ではリアクトルとしての機能は果たせなくなる。インダクタンスL=∞となるから、エネルギー貯蔵機能は無い。それは変圧器となるから。序でに考えておこう。モーターも重い外側の固定子と回転子との間のギャップがエネルギーの存在する大事な空間であり、ギャップ空間エネルギーの振る舞いを動力発生の原理に解釈を広げられれば、物理的『空間エネルギー』の電気現象の役割がはっきりするであろう。若い方に挑戦して欲しい。

(L-2) 変圧器等価回路 鉄心間にギャップがある変圧器は漏れ変圧器と言う。ギャップ空間にエネルギーを貯蔵する機能でリアクトルと漏れ変圧器は同じ意味で捉える事も出来よう。そのギャップg=0ではインダクタンスL=∞で、リアクトル電流は流れ得ない。エネルギー貯蔵機能も無くなる。変圧器等価回路では、相互インダクタンスMとして評価される。1次、2次負荷電流の相互関係を解釈する為にはMが便利であるからであろう。しかし、変圧器の励磁電流と磁束概念の伝統的解釈法では、磁気特性の非線形性をうまく表現し難い点があろう。それは磁束が励磁電流によって発生する訳ではないと考えなければ解決できない現象である。ファラディーの法則の微分形式には電流と磁束の関係は何も表現されていない。微分形式を積分形式で表現すれば、巻線コイル1ターン当たりの電圧の時間積分で磁束φは評価すれば良いだけである。もし励磁電流で磁束を解釈するなら、非線形回路を書き加える便法もあろうが、余り意味は無かろう。しかも磁束さえも技術的解釈概念である訳で、結局は空間エネルギーの一つの観方でしかないと考える。しかし、その磁束概念は磁気現象を解釈するには大変便利で有用な概念であることには間違いないものである。さてリアクトルの『空間エネルギー』であるが、コイル巻線の導体周辺に分布していると考えざるを得ない。電圧概念が元々空間のエネルギー分布の技術的評価概念であると観れば、その解釈法も理解し易かろう。インダクタンス値がコイルの1ターン長さに因るだろうと言う解釈も、鉄心最大磁束密度Bmと鉄心断面積の積φmと言う設計基準の解釈法とも通じていると理解できよう。V=4.44fNφmの意味もコイル1ターン長との関係で理解できよう。

Cと空間エネルギー リアクタンスの一つにコンデンサがある。コイルとはその構造も空間材料(磁性体に対して誘電体)も全く異なる。同じ電気のエネルギーの貯蔵機能要素である。伝統的には実在しない『電荷』概念で評価している。このコンデンサの静電容量と形状の関係が先の記事の『問答』の解答ともなる訳であろう。コンデンサ容量はその電極間の面積に比例し、電極間のギャップdに反比例すると解釈されている。面積一定のままで、ギャップ寸法dを狭くしたら静電容量が大きくなるのだろうか。極限はギャップ零に近付けることになる。ギャップd=0は丁度電気回路のスイッチを投入したような状態となろう。それはもうコンデンサとは無関係の状態である。空間エネルギーを保持する状態ではなくなる。コンデンサ容量Cはd=0で定義式では無限大となるがそれは意味の無い事である。コンデンサのリアクタンスXcで考えれば、d=0でXc=0となって、インピーダンスにおける意味に矛盾は無くなり理解できる。『問答』のKとの関係も理解できよう。以上がコンデンサの寸法についての解釈としよう。さて、リアクトルと同じように少しコンデンサの機能についてその物理的(物理学教科書的ではない、学習指導要領的ではない)意味を考えてみよう。

電線路とコンデンサ機能 ある配電線路の終端にコンデンサだけを負荷としてつないだ回路を考えてみる。今までも何度か電圧の意味の考え方は述べて来た。その意味をコンデンサ負荷との関係でもう一度整理してみよう。電線路については分布定数回路と言う観方が高周波で採られる。それは何も電圧の周波数に因ることではなく、すべて電線路はエネルギー伝送から観れば、回路としてはコイルとコンデンサの分布回路と観なければならない。電源電圧が正弦波とすれば、瞬時的には電線路全体がその電圧の変動回路となる。何が電線路の電圧の原因を成しているかと言えば、その電線路空間の『エネルギー』分布である。電源から負荷までの電線路空間が電源電圧の瞬時値に対応したエネルギー分布で平衡状態を保持するように、空間を『エネルギー』が自動的に伝送されるから有効な電力伝送設備が可能なのである。それは『エネルギー』の自然界の現象で、光速度伝送する自然現象の御蔭なのである。その自然現象を科学技術概念で便利な捉え方で利用している訳である。上の図で電線路終端のコンデンサ負荷では、電源電圧の変動に対して、光速度での遅れは伴うが、電源電圧に対応するべくコンデンサ内のエネルギー分布を確立するための、エネルギー貯蔵で機能する訳である。コンデンサの電極板導体の面積が広ければ、その面積全体に亘って電圧vcに対応するべくエネルギー分布を行き渡らせなければならない訳だから、多くの『空間エネルギー』を貯蔵する必要がある。そのエネルギー貯蔵に於いては、コイルのようなエネルギー入射を妨げる作用は無いから、極めて瞬時に電圧変動に対応して、素早い応答で機能が発揮される。コンデンサの電気要素としての感覚的認識にはそんな意味で納得できるだろう。誘電体に強誘電体材料が使われるが、その材料のエネルギー貯蔵特性には時間的遅延性などがあるため、特殊な特性を示す面もあろう。最後に付け加えておこう。電源電圧の極性と電線路の『エネルギー』伝送空間について。図に示したような電源電圧の『極性』は(+)、(-)で馴染んでいるから分かり易いと思うが、本当はその『極性』とは何かと問えば分からない筈であるにも拘らず、理解され易いと言う科学技術の恩恵(?)がある。しかし実際に『極性』と言える意味の電気現象に差が存在する事も確かな事であるから、それが『何か?』と疑問に思う。今から丁度7年前に、記事を元のSpaces.live.com/に投稿させて頂いた。その科学論の最初の記事が放電現象と電荷・電流概念である。放電現象は電気現象の意味を解く最初の研究対象でもあったとも見做されよう。そこで『陰極線』と言う得体の知れない流れがあると見做した。(+)側からは流れない事を知った筈だ。その『何か』が流れ出る側が(-)側であると。その応用が三極真空管の熱陰極線の空間電荷制御法になった。乾電池、蓄電池の電源も(-)側が『エネルギー』供給源になっているようだから、交流回路の電線路の『エネルギー』流も(-)側にその流れがあると解釈して良かろうとの判断である。その流れは光の流れと同じだから、科学の論証に従った実験的に検証する方法は考え付かない。

不適格な科学論か? 上に述べた事を含めて、殆ど科学者の検証に耐える根拠が示されていない。それにも拘らず、『電荷』否定から始まった記事は殆ど数学的解析式などもなく、ただ日常用語で『エネルギー』の電気現象における振る舞いを感覚的に納得できる意味を述べさせて頂いた。科学論らしくなくて御免なさい。

文献(1) 大学講義 最新電気機器学 宮入庄太著 (丸善)   p.53~

 

『オームの法則』-物理学解剖論ー

電気回路を学ぶ時の最初に学習する法則が『オームの法則』であろう。今まで様々な観点から、電気磁気学を論じて来た。ここで、最も基本の法則について考えて見ようと思う。ただ、『オームの法則』の教科書的解説をするつもりはない。大学受験や、電気回路の教室授業の参考には成らないであろうことをお断りしておく。簡単な基本ほどその奥に隠れた意味は深い事を伝えたいのである。出来たら大学の電気磁気学を教えている方々にも見て頂いて、批判をして欲しいのである。また、文部科学省の教科書調査官には特にご批判をコメントで頂きたい。最初に先ず『オームの法則』とはどんな事かを述べたい。オームの法則実際に、どれ程の解釈で論じられるかは、自分の能力の無さから先行き不透明なままである。①のファイルの意味で、抵抗に係る電圧と電流の関係が瞬時値で成り立つと考えている。その関係は、直流回路も交流回路も成り立つ。例えば、抵抗にコイルが繋がれている回路を採り上げよう。

 

直流・交流とオームの法則

直流回路で、電源電圧Eが少しでも変化すれば、電流が変動するから、コイルの電圧elも0ではなくなる。しかし抵抗の電圧erはどんなに電流 i が変動しても、抵抗の電圧は電流の瞬時値に対して、er=R×i が常に成立する。交流回路の場合も、抵抗の電圧値er は電流瞬時値 i のR倍になる。抵抗の回路要素としての意味は電圧と電流に対して、極めて単純な式が成り立つ事を示している。コイルなどの場合は、インダクタンスLがエネルギーの処理に時間的遅れを伴う為、実に面倒な式の取り扱いの計算が必要になる。(一言お断りしておかなければならない事がある。電流、電圧の概念を明確に出来ずに使用している点である。電流は流れずと論じている事に対する責任を感じて。)(2019/05/12)追記。当時は未だ、電線路内空間の電気エネルギーの分布について今ほど明確ではなかった。技術概念『電流』とその測定などのようにエネルギー流として解釈できるようになった。

瞬時値と言う事に関して、一般的な電気回路でのオームの法則をもう一つ挙げておこう。

回路とオームの法則どんな回路でも、抵抗に流れる電流が決まれば、a のようにその電圧は必ず電流に比例する。もう一つb のように、電力pも電流瞬時値で決まることになる。しかし、この電力pに関しては、エネルギーの時間的消費率ワット[W]で、電流概念(i=dq/dt[C/s] の電荷qの時間tに対する変化率の意味において)とエネルギー量との関係から、自分は理解できていない面がある。何が光に

 

 

 

 

 

 

何が光に 抵抗の意味を考える時、身近な電気器具の電灯が目に入る。エジソンが発明した白熱電球である。最近は「LED」にとって代わられそうで、さびしい思いもする。蒸気機関車の力強さ、竿秤のてこの原理あるいはLPレコード、真空管ラジオなど見て分かる科学技術が懐かしい。携帯電話、IT情報網などの最先端技術は感覚的理解との不協和の世界に彷徨うような思いだ。日常の科学技術が学校教育で教えるべき目標の筈だ。科学技術と人間の感覚との乖離が学校教育の目的・目標をも失う時代になっている。こんな時代に、白熱電球を取り上げる意味も無かろうと言われそうだ。しかし、白熱電球の物理的意味さえ、その本質を理解できていない事実を明らかにしたい。単純な科学技術だからこそ、そこに隠れた自然科学としての真理を説き明かせると思う。日本では「理科教育」と言うが、「科学教育」と言う用語の方が適切かもしれない。何が光になるか?こんな単純な質問なら、誰でもが簡単に答えられなければならないだろう。その答には、電気理論など必要ない筈だ。「理科教育」と言う範疇に縛られた教育の硬直化が、「科学リテラシー」と言う問題をも引き起こしていると観る。電気理論で解釈しようとすると、『電子』が抵抗体の中で「大暴れ」でもして、摩擦熱を発生するか、「量子力学理論」を引きずり出して解釈するかの「迷走論」に陥るのが関の山である。最近は薪を燃やす事も環境の問題で、制限される。迷惑は犯罪の気風にある。薪を燃やして、発光するのと、白熱電球の発光現象と大した違いがある訳ではない。停電時に蝋燭で明かりを灯す。どれも原理は同じである。さて、もう一度「何が光になるか」と考えてみよう。白熱電球の二重コイル

電球定格:100ボルト、40ワット。透明白熱電球(内面つや消し電球が一般的)は中のフィラメントの構造も良く見えて、技術の粋が理解できよう。このフィラメントの構造は二重コイルである。その二重巻は、自動二重巻製造の智慧の、その巧さに感心する。何で二重巻の難しい製造技術のコイルにするか?それは効率を高める為の工夫であり、エネルギー局所空間の高温度化のためであり、そんな所に難しい理論など不要であろう。理論の為の『電子』など不要だ。技術革新で、単純な科学技術の製品が捨てられてしまうと、自然科学の本質をも見失う危険がある。難しい理論だけが取り残され、科学無関心の社会構造になるから。何が光になるか?この問いにどう答えるかが科学技術に対する市民社会の未来志向の道標を示すことになると思う。理科教育で果たすべき学校がその責務を果たせないのだ。教育の行政の問題であり、理科教育を担ってきた大学および教育関係者の問題である。光は、薪も、蝋燭も電気炉も同じく光を放つ事を共通に持っている原因は何かと考えれば、手の指を差し込めない『何か』が原因で放射されると思うでしょう。それを普通は『熱』という。『熱』とは何か?『熱』と『光』は同じものである。その共通に持っている原因はたった一つの『エネルギー』である。関連する用語に『温度』も有る。『温度』とは何か?と物理的意味を問えば、「理科教育」の気体分子運動論が幅を利かす。理科教育が自然科学の学校教育を踏みにじっているのだ。何が光になるか?は雷が水蒸気の熱エネルギーが原因である事と、その本質は同じものなのである(2013/04/20)に追記。御参考に 雷の正体

さて、この電球の抵抗値は幾らだろうか。テスターで計ると、20.3オーム位である。白熱電球点灯時過渡特性点灯スイッチを入れてから、大体0.1~0.2秒程度でほぼ定常値になると言う。点灯時の抵抗値は250オーム位の筈である。抵抗の変化する様子を式で表現してみた。そのグラフを示す。

適当に数式にしてみたので、正確ではない。でもうまい式と思う。0.8秒で式の上では定常状態になっている。ついでに電流の値も参考に示した。この電流値には全く物理的意味は無い。電源が交流100ボルト(50ヘルツ)であるから、電圧は0.02秒ごとに最大値140ボルト正弦波の1サイクルで変化をする。厳密には、二重コイルもエネルギーに対して幾らかのインダクタンス機能を持ち、電流値もR-L回路の過渡現象の繰り返しとなろう。ただどのように減少するかの様子を示した。

抵抗とは何か 白熱電球も点灯初期から、定常状態まで、変化する。フィラメントのタングステンも温度特性がある。高温度で、高い抵抗値になる。点灯時はR=(100^2^)/40=250Ωの抵抗値になる。何故こんなに抵抗値が変化するのか余り考えなかった。何故だろうか?まさか『電子』が熱いフィラメントの中では、通り抜けに苦労するからだなどとは考えないでしょう。高温と逆の現象に絶対温度零度付近で、超伝導現象が起きる。言わば導体の抵抗値ゼロの状態である。最近は非金属の有機材の超伝導現象が研究されている。関連記事で、超伝導とは何か?電気式木炭暖房の二つを挙げておく。木炭暖房は木炭の電子流などでは滑稽と思う記事である。ここで、改めて電流が導体の中を流れる『電子』の時間的変化率と言う概念に対して、どのようにその論理性を主張できるかの『問答』を提起しなければならない。超伝導現象の意味は正にそこの物理学理論の矛盾を問うのである。だから、抵抗とは何かと考えさせられる。

電気技術と抵抗専門的学習は、用語から解釈の仕方まで特殊な壁を乗り越えなければならない性格を持っていると思う。抵抗の単位Ω(オーム)も人の名から付いた単位である。電圧のボルトと電流のアンペアの比が何故オームになるかの意味も分からない。それは電気の基礎の基本だから、覚えなさいとなる。覚えて習熟する内に、それが当然の原理と認識が深く脳に染みつく。脳の論理回路が形成される。それが専門家の専門的能力となる。電気技術者はその集団の共通用語で、互いに共通の認識で、便利で有効な言語体系を構成できる。しかし、抵抗とは何かと改めて考えてみると、どう言う意味なのかと悩む自分がいる。

物理現象と抵抗この⑧のファイルの内容には馴染が無いであろう。自然科学では、その共通理解のために、基本的な事項を定義している。共通な取引単位でエネルギー量に対して、ジュール[J]、電力量キロワットアワー[kWh](これもエネルギー量のジュールと同じ意味。1[kWh]=1000[J/s]×3600[s]=3.6×10^6^[J] だから。)等がある。物理的単位系の基本定数に真空空間の透磁率μo=4π×10^-7^[H/m] が決められている。エネルギー量ジュールに対して、この定数に基づいてすべての単位系が構築されている。高度な科学論、宇宙論や素粒子論など空間と時間の関係を論じる領域で、殆どこの空間定数の論議が入り込まない論理を理解できない。『時空論』は正にこの定数の話になると思う。だから、基本の電気法則の『オームの法則』で抵抗と空間論の話題を取り上げようと思う。以後どのような事になるか自分にも分からない。参考に、エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系をご覧ください。

空間と抵抗 ここで一つ空間の意味を電気現象から考えてみよう。空間はそこに無数の科学技術の扱う『電波』が溢れている。ドイツ人ハインリッヒ・ヘルツが19世紀末に空間を電気信号が伝わることを実験的に実証した。そこから電気通信が進展して、現在の情報化社会に成っている。伝播伝播と空間特性伝送線路導体も無い空間が電気信号を送れる意味は大変な事なのである。携帯端末もアンテナから電波を放っているのだ。その空間は電気信号を送るに、特性インピーダンスという抵抗値を持っていると考えられている。その抵抗値はほぼ337オームである。その値は丁度、光の光速度cに真空透磁率μo倍で、120πオームとなる。光速度もc=(μoεo)^-1/2^と、空間定数から決まるものである。この空間での電波伝播に於いて、抵抗[Ω]でありながら、損失は殆どない。だから抵抗オームとは何かと考える必要があろう。それがファイル⑧で示した次元を理解しなければならない事なのである。抵抗は電気ロスを生むと考えがちであるが、エネルギーの変換器と観る解釈がよりその物理的認識には重要である。

(2013/5/18追記) 電流と電圧の正体でオームの法則に関連記事を書いた。負荷抵抗をR[Ω](=[(H/F)^1/2^])、負荷電力をP[W]とすれば、電流はI=√(P/R) [(J/H)^1/2^]、電圧はV=√(PR)[(J/F)^1/2^]の電力と抵抗との関係である事を示している。