電気回路に欠かせないものにスイッチがある。エネルギーを負荷に供給したり、遮断したりする役割を担うのがスイッチである。一般には電線路に流れる電流を切ったり、流したりする役割として理解しているだろう。その考え方で『オームの法則』を理解するには十分である。しかし、電流とは何か、電子とは何かと電気現象の本質を物理的に理解しようとすると、単に電線路のオン、オフというだけの捉え方では十分その意味を捉え切れていないと言わなければならない。前回電圧ーその意味と正体ーで電気回路の電圧の意味を捉え直した事により、電気現象の本質に迫れ、より感覚的に納得できるようになった。その空間のエネルギー分布からスイッチの機能を考え直してみたい。多寡がスイッチと言うけれども、その奥には深い意味が隠されているのだ。そこにこそ、科学技術と自然現象との間に横たわる人間を理解する哲学的真理が垣間見えると思う。

『エネルギー』の空間実在性の認識　『エネルギー』とは決して『運動エネルギー』と『位置エネルギー』だけではない事を認識すべきである。ややもすると、科学論の基礎認識としてエネルギーは『運動エネルギー』と『位置エネルギー』であるとの認識から論説が始るように思える。それは、現代物理学の教科書的教育の現状に原因がある。私はその自然科学論にとても違和感を抱くのである。例えば｢空間のエネルギー｣と検索する。そこには驚くような意味不明の精神論と関係付けるような記事まで現れる。科学論を論じる方は、電気磁気学にも十分精通しているものと思う。電気回路でコイルを思い描けば、そのコイルの巻線内の空間に『エネルギー』が蓄えられるというのが電気工学では常識となっていると思っている。しかし『空間エネルギー』がそのコイルに存在しているとの認識が無いなら、その『エネルギー』はどこに在ると考えるのだろう。どうも理論物理学では、『運動エネルギー』と『位置エネルギー』の二つのみで『エネルギー』を解釈していて、空間に存在する質量無しの『エネルギー』の実在性を認識していないからであると考えざるを得ない。そうでなければ空間に『エネルギー』が存在すること位は日常生活で、感覚的に分かる筈であろう。このコイルのエネルギーには『質量』はない。『運動エネルギー』と『位置エネルギー』は必ず『質量』をその拠り所としている。『質量』の無い空間の『エネルギー』を認識しているかどうかの問題である。その『エネルギー』認識のために、この電気回路のスイッチとその機能と言う視点で考えてみたい。

電源から負荷へのエネルギー供給　乾電池などの電源から負荷(懐中電灯など)に『エネルギー』を供給する。それは懐中電灯を点けることになる。スイッチを閉じて(オンして)、そのままにして置けば、いずれ電源(電池)の『エネルギー』を使い切ってランプは暗くなる。その時何を使ったのかと言えば、それは電流でも電圧でもなく、『エネルギー』を使い果たしたのだ。その時の『エネルギー』とはどんなものかを電気回路の中で理解しているかという問題である。電気回路のスイッチとは、『エネルギー』を取り扱う機能だという事である。電気回路のスイッチの機能を『エネルギー』との関係で考えてみよう。

直流回路の空間エネルギー

回路とスイッチ　 スイッチ二つの単純な回路である。この回路を見てどのような事を思うでしょうか。先ず二つのスイッチがオフの時。考えて欲しい事はどこに電圧が掛っているかです。当然スイッチの間の空間に電圧が掛っている筈です。何故そこに電圧が掛っている事に成るのでしょうか。その意味は『電圧』とは何かと言うことです。それは空間のエネルギー分布によって決まる技術的評価量である。

等価回路とエネルギー分布　スイッチがオフのときの電気回路の状態は回路導体で囲まれた空間にエネルギーが分布しているのである。

その静止したエネルギー分布は電気回路としては、スイッチを含め、空間にコンデンサが分布し、それぞれそこにエネルギーが保有されているとも見做せよう。その様子を表現すれば、色付けしたエネルギー分布の図のようになろう。あくまでもおおよその分布表現でしかなく、正確な分布を書き記すことなど出来ない。このスイッチオフの状態から、スイッチ投入したらどのようなエネルギーの流れが生じるだろうか。回路空間の様子を考えてみよう。

スイッチS2投入　回路導体で囲まれた空間全体が『エネルギー』の流れの過渡状態に成る。回路空間全体がコンデンサとコイルの分布した過渡現象状態を経る。　直ちに定常状態に入り、普通の抵抗の回路になる。

交流回路のスイッチ

交流電源電圧をスイッチでオン、オフ制御する場合を取上げて考える。正弦波交流電圧に対して一定周期でスイッチを制御するとする。次の記事への橋渡しの意味も込めて、『半導体素子』のスイッチング機能を含んだ動作を取上げた。

(2020/08/29) 追記。

上の回路の中に『半導体素子』のスイッチング機能を含んだ云々とあり、その具体的な意味が示してなかったので、サイリスタ（SCR）でのスイッチング回路構成を示す。なお、サイリスタの動作機能は制御整流素子として優れている。その機能を電磁コイルで表現してみた。点弧角αで瞬間オンすると、オンが自動的に続く。オフはダイオードと同じ回路状態で自動的に遮断する。回路状態とは下に示した意味である。半導体では機械的スイッチと異なり火花は発生しない。以上追記。

上の制御はスイッチをある位相αでオンし、電圧値が零でオフするものとする。しかし負荷が誘導性負荷の場合には、誘導性リアクトルの貯蔵エネルギー分の処理に問題が生じる。即ちスイッチを切って接点が離れても、負荷の保有するエネルギーがある限り負荷を切り離せない。その為スイッチの接点間に火花が発生し、少し回路のオフが遅れる。その遅れ分の角度βを消弧角と言う。

交流回路の空間エネルギー分布　直流電源の場合と異なり、電線路空間のエネルギー分布はその電圧周期に従って常に変動し続ける。その空間のエネルギー変動はほぼ光速度に近い即応性で対応する。スイッチ接点間の電圧も電源電圧とは周期の遅れと値で異なるだろう。

スイッチ機能のまとめ　『オフ』は接点間で『エネルギーギャップ』を支える。『オン』は『エネルギーギャップ』を零とする。

ダイオードの機能 (2016/09/17)

トランジスタのオン・オフ機能と理論の間に (2017/05/23)

(2022/02/21) 追記。時々この記事が読まれている。この時、6年ほど前の思いが今漸く実を結んだ。例えば、瞬時電力の具象解剖 (2022/02/03)などになった。科学技術概念『電圧』と電気回路現象の物理的認識としての新しい捉え方即ち『エネルギー』の流れとして認識する事との意味の違いを示すことが出来た。

電圧とは何か？　電気工学や電気物理に関わる仕事に携わっている人はこんな疑問を抱かないだろう。電圧１００ボルトあるいは３ボルトなどと日常用語としてありふれて使っていることだから。常識の言葉だから。こんな常識の科学技術用語を理解できないと言って、その正体をあばこう等と考える事を仕事にするとすればどんな仕事に成るのだろうか。全く経済的な利益を生むどころか、科学技術関係社会に反逆的な伝統破壊の行為と看做される。反発を食う研究である。そんな業務を仕事として受け入れる環境があるのだろうか。科学研究社会は、特に学術研究に属する分野では『客観性』を持って研究を進める事が要求される社会であろう。過去の先人の業績を踏襲してこそ仲間として受け入れられる社会である。それが常識の世界だ。学術研究機関に所属していれば、大いに常識に挑戦する機会もあろうが、最初から所属の無いものには不可能な事であろう。世界で誰も挑戦しない研究、「電圧とは何か？」と問う事も有意義な筈である。学術論文にも成し難い研究ではあるが。自然の本質を明らかにする重要な研究ではある。

総合科学・基礎科学・純粋科学の意義　本質を明らかにすることの意味は、誤ったり誤解した研究や方向性を質す判断基準として、総合的な評価を下すに重要なのである。経済的効果が無いと言うが、間違った高額の投資を避ける意味で経済性は大きい。それが総合科学、基礎科学、純粋科学なのである。科学研究の内容を市民が理解でき、賛同できることで初めて研究費を使う権利が得られるのだと認識すべきである。数式でなく、日常用語で高度な研究内容を説明し納得を得る事が必要になる。そこに、専門家だけの内部了解ではなく、市民社会との関わりが大切になるのだ。その時に科学の基礎概念が誰もが理解でき、疑念の無いもので初めて市民との意思の疎通ができ、健全な科学社会への安全が担保できるのであろう。そこに総合的な広い基礎科学の重要性が狭い専門性を超えて必要になるものと考える。ここでは前の電池電圧と『エネルギーギャップ』を受けて少し電圧の解釈の意味を深めてみようと思っての記事である。

電圧とは何か　電圧Ｅボルトの直流電源がある。銅板と銅線が図のようにつながっている。　

電圧問答　

電圧問答　直流電圧源だから、各電圧計の指示値はすぐ分かる。ただ電圧計の繋がる位置が色々だ。電圧計は何を計るかと考えて、その電圧値に成る原因を何に因ると解釈するかを尋ねている。もし『電荷』を原因と考えると、その分布を考えなければならなくなる。さてどう考えるか？こんな問答は禅問答の部に入るようで、科学論の部門では毛嫌いされる問答である。しかし科学理論は論理性を持ってその真価と尊厳を勝ち得ている訳であるから、こんな易しい日常的な質問には朝飯前と答えられる基盤の上に成り立っている筈だ？そこで答を書こうとすれば、学校教育で教えられる教科書の内容から考える事に成ろう。どんな教科書も文科省の『学習指導要領』によって教育内容は決まっており、『電子』あるいは『電荷』による解釈しか許されていないから、その指導要領に従わざるを得ない。そこで『電子』で考えようと試みる。

電子と電圧　回路の一部を取り出して電圧計V1の意味を『電子』に因って考えてみよう。鉛蓄電池や燃料電池の電池機能原理は水素原子の『電子』が陰極端子から外部配線、負荷を流れて陽極に戻り、『エネルギー』供給源としての電池の役割を果たすと専門家の解説に在る。それが負荷への『電流』の電気磁気学理論に基づいた教科書的標準理論である。しかもそれは世界の物理学理論でもある。その時の電気現象の電圧には『プラスの電荷』は電池の外部回路に関与する解釈は無いようだ。すべて『電子』だけで理論的な解釈が成されている。そのような世界標準の電気論に従って、電圧計V1の『電圧』をどのように解釈すべきかを考えてみた。①電荷分布(電子)？と電圧として銅板間にどのような『電荷』分布を描けば良いかと苦心した。『電子』同士は好きではないが、有名な『クーロンの法則』に従えば、お互いが反発しあって、集合するのはいやだ、いやだと纏まらないのではと考えると、『電子』の分布予想も出来ないのでお手上げだ。理論とは不思議なもので、後生大事に守られている『クーロンの法則』があっても、そんな法則などお構いなしに『マイナス電荷』の集団と『プラス電荷』の集団同士が向き合って対峙する構図が理論の伝統的な常識・思想に成っている。しかしこの電池の場合には『プラス電荷』は出る幕が無いのが不思議だ。だから教科書に従って電池電圧を『電荷』で描こうとしたが無理だった。それでも思い直して、マイナス側の銅板に『電子』が分布したとして、電圧計を繋いでみた。それが②電圧計である。電圧計は中味の回路を見れば、単に高抵抗rとコイルlの直列につながっただけの物でしかない。電圧と評価する部分はコイル内に貯蔵されて『エネルギー』を指針の回転に利用しているだけである。特に電圧と言うような感覚的に予想する様なものを計っている訳ではない。陽極側と陰極側の銅板の間に電気回路のｒｌ要素を繋いだ事に成る。もし陰極側の銅板に最初『電子』が集合していて、電圧が掛っていたとする。電圧計を繋ぐ前後で銅板間の電圧にどのような同じ電圧を発生・保持するかの訳を考えられるだろうか。また、図のように電圧計(負荷)を繋いだとしたら、『電子』はどのような力を何によって受けて運動すると考えれば良いだろうか。大まかな概略論でなく、厳密な基礎理論に基づいた合理的で論理的な解釈が求められる。日常用語と基礎的な科学用語での説明なら、誰でもが理解でき納得できると思う。しかしこの『問答』にはなかなか納得できる論理的な解釈が出来ないジレンマに陥るのだ。結論を言えば、『電子』や『電荷』では電池電圧の発生原因を説明できないという事である。宇宙の話や五次元空間の話は話の実体が目の前に無いから高度な数式で論じられると煙に巻かれたような気分でうんともすんとも言えないもどかしさが残る。しかし乾電池や蓄電池の話なら、電磁気学の理論検証には十分分かり易い筈だ。この電池電圧の意味が『電荷』概念では自分が納得出来ないので、『エネルギーギャップ』の電圧発生理由で解釈する様子を示す。

空間のエネルギー分布　エネルギーにはプラスもマイナスもない。光のエネルギーと同じく、空間に金属導体に因って束縛された状況で分布する。その分布密度を予測して図に描いて示した。その密度分布を実験的に測定する方法を見つけられるかどうかは疑問だ。『電子』の分布を描く場合に似ている結果である。プラス、マイナスと言う金属導体間にそのエネルギーは分布し、マイナスからプラスまでのエネルギー分布密度の線積分がその『電池電圧』となる。エネルギーで観る線路電圧に交流の場合を示したが、直流でも同じ事である。

交流電圧　電圧は直流も交流もその本質は同じである。主に金属導体間に掛かる電気の”何か圧力”のようなものと感覚的に捉えられる。その姿・本性を認識し難い訳は実験的に測定することが出来ない｢空間エネルギー｣だからである。電気の眞相(２)－電圧とは何かーに述べた。科学技術の電気工学では空間エネルギーなど観測できない物理量であるから、『エネルギー』の利用と言う眼目から、実に優れた計測量として、『電圧』を考えだした訳である。『電圧』と『電流』で電気工学の基礎を創り上げたのだから、その技術的感覚は素晴らしいと先人の業績に感謝しなければならない。交流電圧によって送配電線路が構築され、『エネルギー』利用が可能になった。その交流電圧は発電機と変圧器での発生原理に新たに｢磁束｣と言う概念を創り上げた事により、理解し易い『電磁誘導則』で誰でもが理解し易くなった事は科学技術の意味を理解する上で大切である。｢磁束｣で交流電圧を理論付ける技術感覚の意味を理解すべきであろう。さて、科学技術とその基礎概念は自然世界の『真相』と成るかと言う点で改めて考えなければならない歴史的転換点に居ると思う。電気現象の物理学的解釈は自然世界の眞相を捉えるに重要な基本認識と成っている。その自然現象・自然世界を『電圧』、『電荷』、『電流』の科学技術概念で論じようとしたとき、その論理の先には混迷の未来が待ち受けている。同様に『電界』『磁界』も自然世界に実在する『真相』ではなく、科学技術の『エネルギー』利用手段としての便利な構築概念でしかないのだという事を認識することが未来への安全の思考の基盤である。

科学技術と自然世界と教育　先人が築き上げて来た科学技術と自然世界の眞相を混同しないように理解して欲しい。『電荷』など世界には存在しないのだ。今、この事の中に見える複雑な人間意識と科学的競争社会の間に立って、未来への子供達に対する教育を考え、根本から再構築すべき時に立っている。未来への教育問題は教育機関、教育者に課せられた喫緊の課題である。過去を踏襲し、先人の業績を尊重してなどと拘泥している時ではない筈だ。

『電圧』と『エネルギー』その実験的検証　昨年は物理学概念に(『電荷』への)疑念を抱き、旅立って３０年程たった時に不思議な実験を手掛けた。これも予測できた訳ではなく、何かに誘われて手掛けたような実験である。変圧器の奇想天外診断で『電圧』の意味を考える切っ掛けを得た。続いて、コイルと電圧とエネルギーおよび天晴れ(コイルと電圧とエネルギー)の実験的検証、そしてまとめとしての電気の眞相(３)－電圧と負荷ーによって『電圧』と『エネルギー』の関係を捉えることが出来たと考える。