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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。

特性インピーダンスから見る空間の電気特性

身の回りの空間は電波に満ちている。ラジオ放送、テレビ電波、スマートフォンなど生活に密着した電波に取り囲まれている。その電波が伝播する空間の抵抗値が120π [Ω]と言うことになっている。抵抗は個体の寸法が決まった物に対して定義される。電熱器やフィラメントあるいは電気回路の抵抗素子等の値である。ところが電波伝播の空間の抵抗とは何かと考えてしまう。それには大きさの寸法が無い。だから空間の抵抗とは何かと問わざるを得ない。しかも空間抵抗は電波が流れても損失の意味を含んではいない。光が伝播する時の空間内の損失と同じくほとんど零と解釈して良い。『オームの法則』ー物理学解剖論ーの末尾にも特性インピーダンスを述べた。

電磁気現象は空間特性として全て統一できる 何故この特性インピーダンスを取上げたか。電磁エネルギーの挙動を解釈するに、導体、絶縁体および半導体あるいは磁性体また誘電体と言う電気材料の区分から、それぞれ特性を捉えるのが一般的である。それらが示す特性の違いはすべて空間特性から統一的に解釈できそうだと気付いたからである。空間の持つ電気的特性は二つの定数から決まると見做せる。誘電率と透磁率である。電気材料の原子・分子結合から来る内部空間構造にその特質が隠されていると解釈する。エネルギーと空間との相互作用と看做せよう。その点はエネルギーと空間と質量に論じた。

抵抗値の次元 抵抗の単位はオームである。それは電圧の単位ボルトと電流の単位アンペアの比率で定義される。

『オーム』=『ボルト÷アンペア』

何故ボルトをアンペアで割ると抵抗の単位オームになるのだろうか。元もとこれらの単位は厳密な物理的意味合いが明確にされて、定義された訳ではない。1827年、Georg Ohmによって発見された『オームの法則』が基である。科学技術は余り物理的厳密性を考えるより、実用的な解釈法で社会的合意形成が進み、便利さが法則の価値を決めて来た。そこに見える社会的背景が気にかかる。それは現代にもその影響力はますます増大している。所謂学識・有識者として特権階級に位置づけられた人達の学術研究組織内での合意形成がその社会的科学論となる必然性のようなものを備えている。生活者の認識とは掛け離れて行く独善性に裏付けられている。19世紀初頭に電磁気現象の発見や解釈にアンペア、ファラディ等が活躍した。当時は、当然電磁気現象の意味合いなど暗中模索の中で、実験的確認を通して定説として広まって、徐々に定着したものであろう。その中に『オームの法則』がある。電圧計、電流計(計器の方式、精度も怪しい)等の基準値も曖昧で、測定値も相当誤差がある中での認識であった筈である。それが今になっても、『オーム』の単位の意味さえ物理的に厳密な説明ができる訳ではない状態にある。オームはオームだなどと言われても、それでは納得しかねると思う。教科書的に説明するなら、抵抗に電流が流れると、発熱現象を起こし、エネルギーを消費するとなろう。ならば、抵抗体と言うオームの電気素子で、何が熱エネルギーに変換されたのかを『エネルギー保存則』から説明しましょう。あるいは、電波伝播の空間の特性インピーダンスが376オームと言われるが、マックスウエルの電磁方程式から計算すれば、電流と抵抗から熱損失が生まれる筈であるが、そこは少しも問題にはしない。それは、電流など無いから問題にしなくて良いのであるが。『オーム』の単位は物理的には[(H/F)^(1/2)^]なのである。空間の透磁率 μ[H/m]と誘電率 ε[F/m]の定数比√(μ/ε)から導出されるものの意味である。エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系参照。このことは、例えば白熱電球のフィラメントに対してどのような物理的特質として解釈できるかである。フィラメントのタングステン元素Wの金属組成・結晶格子構造及び二重コイル構造に基づく、エネルギーの貯蔵・放射に対する透磁率、誘電率の効き方が熱エネルギー・光エネルギーへの変換特性としての抵抗値になると解釈できよう。抵抗を単にエネルギー消費材料と考え、感じるだけでは物理的解釈としては不十分であろう。何故どのような仕組みで、エネルギー貯蔵が起こり、光放射現象へのエネルギー変換が起きるかを考えるべきと。それが物理学であろう。科学技術論と物理学とは同じものではない。

特性インピーダンスの定義空間 田園や山間に送電鉄塔がある。普通は電線が6本(天頂に1本アース線)で伝送される。その伝線路も長さ1km当たりの線路定数が定義される。インダクタンスL[H/km]、静電容量C[F/km]等と言われる。その伝送速度は1/√(LC) [km/s]、伝送インピーダンスは√(L/C) [Ω]他に線路損失を表す抵抗R[Ω/km]がある。この場合の伝送インピーダンスと同じものが光空間伝播の特性インピーダンスである。空間の透磁率μ[H/m] 、誘電率ε[F/m]であれば、それは伝播速度方向に1[m]当たりの定数と解釈して良かろう。光の伝播速度は1/√(με)=3×10^8^[m/s]。特性インピーダンスZ=√(μ/ε)=120π[Ω] 。定義の空間範囲は連続した光伝播方向の1m当たりの値と解釈できよう。光はエネルギーの空間分布の縦波である。そのエネルギーが空間で誘電率のコンデンサと透磁率のコイル間でのエネルギー共振の繰り返しで光の光速度が決まると捉えれば良かろう。

空間が世界を創造する

空間が世界を・・我々は光によって世界を理解する事が多い。科学論では『光』の解釈が重要な課題になっている。光の速度を『光速度一定』と理解している。光を理解するには、何故一定の光速度であるのかに疑問を抱く。それは、何故生命がDNAで決まるのかの疑問と同じ事かも知れない。

世界は空間が支配し、創造する。光の速度を決めるのは人間でもなければ、科学論でもない。色即是空そこに在る「空間」が造り出している。その自然の意味を簡便に表現したのが 色即是空 空即是色 の東洋思想と見たい。『空』は空間で、その極限が真空と看做せよう。『色』はその空間に作り出されて、存在する全ての実在物と看做せよう。光も『色』の一つの実在の姿である。勿論質量と言う姿もその一つの形式の創造物である。

空間を考えると、自然科学・科学技術で真空透磁率 μ_0(=4π×10^-7^)[H/m] 、真空誘電率 ε_0[F/m] が空間と物理単位の関係を定義付ける基に成っている。光の速度もこの二つの定数が規定している。だから、世界は「空間」がすべて支配し、創造していると見る。ここでは数式での解説をしない心算であった。ここに資料を示したいが、自然は『光と舞台空間』に載せた。

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。