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太陽電池の機能

電子論の矛盾(2020/08/21)。

電子回路は電子がその動作原理の根幹をなす。それが科学技術を支える現代物理学理論の『パラダイム』である。検索すれば何処にも同じような、電子のお話で解説されている。56年前に筆者も電子工学を工業高等学校の生徒に教えた。当時は真空管の熱電子の解釈理論であった。教科書の解説の通りに講義で教えた。しかし今もし、授業をするとしたら決して電子での解釈はしない。自然界に『負電荷』など存在しないと考えるから。それは『パラダイム』転換ともなろう。太陽電池は電子不要の光エネルギー変換装置の結論になる。

太陽電池。

筆者は半導体の特性について専門的知識がある訳ではない。教科書の解説に従えば、右の様な回路図で表現される。この回路図を使って筆者が疑問に思う点を取り上げたい。n型とp型半導体を接合して、n型側に光を当てるとそこから電子が発生し、負荷に流れ出ると解説されている。しかし、考えるとその意味が全く理解できないのだ。専門家の解説が筆者のような素人には理解できないのだ。初学者は学校で先生がお話すれば、そのまま記憶して覚えようとするから、疑問も抱くことはできない。しかし少し学習を積み重ねてくると、いろいろ理論の可笑しな点が見えてくる。光がn型半導体に入射すると、どの様な訳で『束縛電子』が『自由電子』となるというのかその論理が分からないのだ。

光電効果。

光と電気現象の関係が光電効果として解釈されている。電子は原子構造の外郭の電子殻に分布していると解釈されている。電子が原子核の周りをどのような速度でどのような立体空間軌道を回っているかも殆ど解説されていない。L 、K殻 等と軌道の解釈は示されているが、どの向きにどのような速度で回転しているかなど重要な具体的な意味になると全く示されない。その電子に光が当たると、自由電子になって、原子核の拘束から解放されるとなる。電子が光との相互作用で核の束縛から解放されて、自由になるとはどの様な原理から起こるというのか理屈が観えない。その辺の具体的な『エネルギー』の関係が詳細に示された科学論であって欲しいと思う。電子では論理的な解釈が示せないだろう。何故なら自然界に『負電荷』などがある筈はないと考えるから。ウラン235が核の外側で電子が92個も本当に回っていると考えているのだろうか。どんな空間構造で分布できると考えるだろうか。

光電効果における電子が受ける光の作用。この事の意味が理解できない。

自由電子の速度の大きさとその方向はどのように決まるのか。光を光電素子に当てると電気の『エネルギー』が得られることは確かである。その科学技術は素晴らしい研究成果として現代社会に多大な恩恵を及ぼしている。その半導体の物理現象の解釈理論が量子力学である。しかし、そこには『エネルギー』の具体的な描像が観えない。勝手ながら図3を基に、そこに於ける光電効果と言う物理現象がどのような事であり、そこにおける自由の電子と言う状況がどの様な状態を指すのか、そして自由が故の電子はn型半導体内で機能は具体的にどのような事なのかを理解したい。自由の電子がどのように『エネルギー』を負荷に供給するのかが理解できない。それらはすべて、素人の単純な疑問でしかないかも知れない。このような事は、初めて学習する学生も疑問に感じ、その疑問が解けた時に初めて納得できるのではないかと思う。

1.光は電子のどの様な特性に作用するのか?作用対象は『電荷』なのか『質量』なのか?光と電子の間の物理的作用原理は何だろうか?

2.電子は原子核の束縛から解放されて、自由になるという。その時の電子の物理的状態は何がどれだけ変わったのか?その電子が保有した『エネルギー』とは「運動エネルギー」か?もし運動エネルギーなら、その時の速度ベクトルは負荷まで保持されるというのか?その電子はどの様な仕組みで、導線の中に導かれるのか?

3.もし負荷に『エネルギー』を届けたとしてら、帰りの電子は何がどのように変わるのか?

4.電子に作用した光はその後、消滅するのだろうか?光の『エネルギー』の空間像が明確でなければならないと思う。

結論。上に拾い上げた、単純な疑問が解ければ良いと思う。それは電子の物理的空間像を示す事に集約されているのだろう。空間像を示せないなら、それは『電荷』が自然界に存在しないからであろう。前の記事、ダイオード電圧 (2020/08/26) でダイオードのON ,OFF 機能について解釈を示した。半導体のp型、n型とその接合面の機能は太陽光電池もダイオードも基本的物理現象は同じであろう。その点を踏まえて以下の解釈になる。

太陽電池の機能を示したい。

ダイオードがオンする原理はpn接合面の『エネルギーギャップ』を解消する、外部からの『エネルギー』供給である。電池から供給するか、太陽の光の『エネルギー』を供給するかの違いだけであろう。n型半導体側に光を照射すれば、pn接合面の『エネルギーギャップ』を解消でき、素子はオンとなる。右の図には、電池電圧Voの負荷を示した。電源はpn接合素子を直列に、合成電圧がVsとなる設定とした場合で示した。一般には電源電圧Voの電池に負荷抵抗なしにダイオードを順方向に接続すれば、電源電圧短絡の事故となる。しかし、ダイオードの電圧ドロップの直列段数倍がVoと等しければ、短絡事故とはならない。その時の電圧Voはダイオードオンの役割の為の電圧と見做せる。光の照射量に従って、n型半導体内部の『エネルギー』の量が決まり、太陽電池としての『エネルギー』供給源として、負荷の蓄電池電圧Vo側に『エネルギー』を供給するかどうかが決まる。