(2020/11/19) ペルチエ効果。

ペルチエ効果を使う熱電素子の構造は図の（１）のような説明で示される。N型半導体とP型半導体を銅などの板で組み合わせて構成される。そこに電圧を加えると、吸熱面と放熱面が生まれる。吸熱面の空気から熱エネルギーが金属板に吸収される。その作用を使って除湿器が造られる。空気からと言うのはその水蒸気が保有する熱エネルギーを吸収することだ。水蒸気は熱エネルギーで水が体積膨張した状態である。吸熱面で熱エネルギーが奪われれば、水蒸気は体積収縮して水になる。それが除湿機の機能原理だ。それはペルチエ効果の説明のように実際の技術として機能している。しかし、何故ｎ型半導体‐銅‐ｐ型半導体の方向に電圧を掛けると銅で吸熱現象が起きるかの原理が理解できない。そこで、（２）図のように、ｎ型半導体を銅版で挟んで電圧を掛けても、吸熱と放熱が起きるのか？予測では、実験すれば吸熱、放熱は起きる筈だ。起きなければ、原理の意味が成り立たない。これはｎ型でもｐ型でも同じ筈だ。ｐ型では吸熱、放熱の反応極性が逆にはなるが。

除湿機能と降雨現象。空気中の水蒸気から熱エネルギーを奪えば、水蒸気は水に成って、体積収縮を起こす。気象で地上の低気圧も、上層気流の冷気で地上からの水蒸気が体積収縮を起こすから、空気の水蒸気が上空に吸い上げられ、その結果低気圧となる。水蒸気の熱が上層気流に奪われ、水蒸気が体積収縮を起こす結果、雨となって降り注ぐ。除湿器の機能も自然現象としてみれば、降雨現象と同じものである。その吸熱現象がペルチエ効果ではどのような原理で起きるかの問題と考える。電気回路現象は電子が主役を演じる解釈理論となっている。電子がどのような役割を担っているかを詳らかにするのが科学論の目的だ。降雨現象には電子は不向きだ。その違いの訳が説明できるか？という設問となる。この上層空気がより冷気が強ければ、遂には氷となり雪になる。地上と上空の温度差が急激に大きくなれば、熱エネルギーが空間のチリなどに蓄積され、その熱放射、熱爆発の「雷」となる-雷は熱爆発 (2014/05/23) -。

思考回路。

ペルチエ効果の意味を考えてみよう。図（３）はダイオードに電圧を逆方向に掛けた。これでは回路は on 出来ないから、off である。図（４）はｎ型とｐ型の間に銅板を挟んだ。この構造はペルチエ素子の構造と同じだ。原理から考えれば、やはり吸熱と放熱現象が起きる筈だ。銅板を挟むとダイオードのoff機能は消えてonするという意味になる。この構造でもペルチエ効果が表れる訳を説明できなければならない。さてどう解釈するか？

電子と熱電効果の原理。

電源は決して電子を回路内を循環させる訳ではない。現在も、電子が主役の量子力学が半導体動作原理の解釈理論となっている。もし、電子が電気回路の機能を担うとすれば、電子が電流の逆向きに流れると解釈する限り、無理して『電荷』がその役割を担うと考えざるを得ない筈だ。電子の『質量』では無かろう。しかし、『電荷』が電気回路内を循環する具体的役割を、誰をも納得させるだけの論理性で示し得ないだろう。電子が『エネルギー』の伝送に役割を果たし得るか？電子が『エネルギー』を電源の負側からどのような状態で電気回路に運び出すのか？The electron did not exist in the world. (2020/05/15) 。にも述べた。電子の電荷と質量の空間像が定義できなければ、電子の熱エネルギーに対する機能も述べられない筈だ。電源は、電圧をその規定する値にするため、その繋がる回路の回路定数に対する『エネルギー』の放出源なのである。放出電子の数を調整する機能など電源には無い。電源は電子など制御対象にできないし、無用である。

電源と熱エネルギー。

電源は負側の電極電線路近傍空間を通して『エネルギー』を放出する。この電気エネルギーと熱エネルギーに違いがある訳ではないのだ。熱エネルギーは輻射熱として放出される。所謂赤外線と言う分類の光と見做せよう。可視光線に比べて、何か速度が鈍いような長波長成分と言う物のように感覚的に感じる。しかし電力波と比べれば波長は光に近い筈だが、衣服等に吸収された熱量値しての状況は何か粘性の強いエネルギーに思える。その熱が高密度に貯蔵されれば、遂にはより作用性の強い放射光となる。熱電現象は電気エネルギーと熱エネルギーの間の相互作用の変換現象と解釈する。とは言っても電気エネルギーと熱エネルギーは基本的に空間に実在する同じ『エネルギー』であることに変わりはなく、電池から電線路を通して負荷抵抗の空間構造に閉じ込められれば熱と言う人の解釈になる。

半導体の不思議。

トランジスタのスイッチング機能は技術の結晶に思える。しかしそのコレクタ側はダイオードの逆極性導通としか見えない。そこは吸熱特性を呈する。ダイオード電圧 (2020/08/26)。

(2020/11/07)エネルギーギャップ。
電磁気現象は『エネルギー』の動態を捉えて、その世界が観えるようだ。決して『電子』ではその真相は観えないだろう。
空間に在る『エネルギー』の姿を決めるのは、その空間構造を規定する金属導体と観ることも出来よう。その見方を纏めてみた。
電圧とエネルギーギャップ。


エネルギーギャップ。

少しづつ電気現象における『エネルギー』の姿が観えてきた。それらを繋げて行くと、すべての現象が金属導体とその近傍に関わる『エネルギー』の姿である。近接した導体が有れば、その間の空間にエネルギーが分布する。その分布の姿は、必ず不均一である。と解釈する。その様子を上の図に示した。コンデンサもコイルもその導体の間に不均一に『エネルギー』が分布する。その不均一分布を『エネルギーギャップ』と唱えたい。それはダイオードのp型と n型間に存在する不均一エネルギー分布との解釈と同じとみる。ダイオードはその『エネルギーギャップ』によって導通「オフ」状態となっている。n型側に『エネルギー』を加えれば、ダイオード「オン」となる。そのように基本的に空間構造体内に『エネルギー』が存在する姿は不均一である。その『エネルギーギャップ』が電気回路の回路定数、特に容量C[F/m]との関係で端子電圧V[V]となる。

『エネルギー』と光と空間定数。上の捉え方が誘電率εo[F/m]および透磁率μo[H/m]と光伝播現象との関係の哲学的考察につながるだろう。 

ファラディーの法則(2020/10/24）。それは19世紀初めに唱えられたアンペア―の法則と共に電気現象の不思議を解き明かす基本法則である。電気回路現象の解釈の要となる概念が『電流』と『磁束』であろう。ファラディーの法則で、『磁束』がその主要概念となる。しかしよく考えると、コイルに磁束が鎖交すると何故コイルに起電力が発生するかの理由が分からない。金属導体のコイルと磁束の間の物理現象はどの様なものか。『磁束』とは一体どのような空間的物理量か。「科学技術概念の世界」を書きながら、さきにこの記事を投稿する。

磁束が自然世界にある訳ではない。人が電磁誘導現象の訳を解釈するために仮想的に決めた概念である。『電圧』とは何か？と同じように『磁束』の意味も分からないのである。磁石のN極側から空間に放射する線束として解釈して居よう。空間に線束とはいったい何だろうか。磁束や磁界と言う解釈概念は、本当はそのN極およびS極の周りをエネルギーが回転している空間現象なのだ。その様子を図の磁束φの先端に記した。N極側から見て、時計方向に回るエネルギー流なのだ。コイルの端子電圧Vはコイル1ターン毎の単位電圧vuの加算の電圧となる。丁度乾電池を積み重ねたと同じことになる。

コイルはコンデンサである。電線を二本平衡に張ればその間にはコンデンサが構成される。電線間の離隔距離と電線の形状・寸法でコンデンサ容量は変わる。コイルはその電線の間にはやはりコンデンサが構成されていると考えて良い筈だ。コイルの端子電圧の意味を少し深く考えれば、そのコイル電線間のコンデンサ容量と、そのギャップ間の貯蔵エネルギーとの関係を見直せば、新しい電圧の概念で統一的に捉えられると考えた。コイル巻き線間の間のエネルギー量をδ[J/1turn]とすれば、1turnコイルの電圧vuは図のように認識できる。丁度1turnの電圧を巻き数n倍すれば、コイル端子電圧Vとなる。

変圧器と『エネルギー』反射現象。

先に電気回路は直流も高周波も同じ電磁現象の基にあると述べた。変圧器は電気回路の中でも少し異なった、電力工学の捉え方が中心になって認識されているようだ。物理学の変圧器の解釈は励磁電流による磁束発生がその根本原理となっている。もう励磁電流などと言う解釈は過去の遺物概念と破棄しなければならない時にある。そこで更に先に進むには、変圧器も電線路に繋がれた一つの負荷でしかないと考えざるを得ない。其処では負荷と電線路特性との負荷整合の統一的解釈にまとめなければならない。変圧器での電源間とのエネルギー反射現象をどの様な認識で捉えるべきか。空芯であればすぐ短絡現象になる。鉄心がある事で、技術概念の『磁束飽和』に至らずに短絡せずに済む。それは鉄心へのエネルギー入射が時間的に長くかかり、鉄心でのエネルギー反射が巻き線空間を通して電源側に起きるからと考える。後に、追記で図によって示したい。ひとまず基本的な真相だけを述べた。

科学論の対象範囲は無限の広がりになっている(2020/08/31)。科学論を戦わし、勝者と敗者がわかる土俵は無いのか。生活の夢はどのような土俵で勝ち取ればよいのか。

科学論は基本的に科学者の組織に所属して、その所属機関の一員、科学研究者として生活資金の保障の下で研究が可能である。その上で研究内容の発表を通して、その科学者としての評価が社会的に成される。その研究論文はそれぞれの研究分野ごとに異なる学術機関誌上に、その研究部門の専門の査読者によって吟味され、価値あると評価されて発表されるものと理解している。それが科学論の土俵であろう。科学者が競う科学論には、その特殊性によって土俵が限られたことになる様である。特殊という意味は、そこで論じられる内容が普通の市民にとっては余りにも限られた概念や意味の用語で語られるため、全く関わり得ないものである。特に現代科学論は狭い専門領域によって分野別に仕切られてしまった。それぞれの科学研究者は厳しい競争社会の中で、その専門的研究に専念して、それぞれの土俵上で格闘されている。

スポーツにはその技量を競う土俵がある。科学研究と異なる一般社会に開かれた市民生活の場では、日常的に様々な土俵がある。みんな生活と夢とを結びつける土俵であろう。

教育あるいは理科教育の土俵。理科と言う教科は自然世界を科学的に捉えて、その基礎教育によって培われた科学的知識や感性を、後に社会生活の上で科学者に成るばかりでなく、あらゆる場面で的確な自然現象の解釈に生かす能力として重要である。さて、そこで気掛かりな事がある。それは科学研究の現代的姿が全く教育とかけ離れてしまったことである。学校教育で取り上げられる理科教育内容と最先端の科学研究内容との間の隔たりが極めて大きく、矛盾を孕んだままに放置されている事である。昔の「ロウソクの科学」のようなファラディーの話の時代との隔世の感がある。その原因は何に在るのだろうか。生命の科学、医学生理学のような研究分野はとても複雑で高度の専門的であり乍ら、その基礎となる理科教育については何も殆ど疑問もなく、現状の基礎概念がそのまま科学常識として是認されている。高度な専門分野の研究者は、その最先端の研究に心血を注ぐが故に、学校教育の基礎、物理学の基礎などを考える余裕などない。では、物理学科の教育の専門家がその基礎の概念を研究対象として疑問を拾い上げるかと思っても、殆どそのような事はしない。原子構造が原子核とその周りを周回する電子で構成されているとの古典的認識（誰も古典的とは考えない）で、少しも違和感を持たないように思う。『電荷』概念とクーロンの法則の間の論理的矛盾など少しも問題にしない。それは何故なんだろうか。同じ『電荷』同士は反発して、近付かない筈だ。しかしコンデンサの充電現象は『正電荷』同士、『負電荷』同士が集合、密接する事に矛盾も感じない。その思考の有り方を一体どのように、科学論の論理性と言う観点から捉えれば良いのかと考え込まざるを得ない。

日本政府（文部科学省）の教科書検定制度。社会的仕組みの問題としても考えなければならないような気がする。『電荷』に関して以下に述べる。

『電荷』否定論。ブログで一般市民も理解できるかと、電気回路現象や基礎的物理論の矛盾を取り上げて論じてきた。既に10年は過ぎた。しかし、ブログ記事に対して、専門家が批判を寄せる事はない。少なくとも『電荷』や『電子』で物理現象を大学講義でなさって居られる方が多いにも拘らず、反論も期待したが全く無い。ブログでの記事はそれを期待したが、やはり科学論を戦わす土俵としては期待外れの無駄であったかと、誠に残念である。情報の溢れるインターネットの場に、そこに土俵が在るかとの期待でもあったが。教科書の内容と言う、誠に基礎的な事であれば、一般の市民が質問できる場として有効な土俵と考えた。やはり『電荷』に関する公開の場での討論会が在れば、開かれた科学論となるとの期待を持っている。そんな機会に壇上で参加したい。新しい『パラダイム』に向けて。

電池は『エネルギー』を貯え、便利にその『エネルギー』を使うための科学技術の貴重な成果の製品だ。決して存在しない『電子』などを貯えるものではない。『エネルギー』とはどの様な特性を持った物理的実体か？と考える。見えなくて測れないものだから、その『エネルギー』の動特性を探ることも出来ない。どうすれば、『エネルギー』の空間特性を理解できるかが電池の物理的現象を知る要点であろう。

電池とエネルギーの関係。

電池の内部で『エネルギー』がどの様に貯蔵され、それがどのような条件で電池内部から解放されて電気回路空間に放出されるか。その現象を『電子』なしに『エネルギー』の物理的特性として解釈する必要が有る。電池から送出された『エネルギー』は決して電源に戻る必要はない。負荷に供給されて、それで電池の役割は完了する。『電子』のような概念では、再び電源に戻る無意味な解釈が繰り広げられる。無意味とは何故に負荷を『電子』が通過する必要が有るのか。負荷に『エネルギー』を『電子』がどの様な物理現象として届けることになるのか。何故に『電子』が保有した『エネルギー』を負荷に届けて、その『エネルギー』分だけ欠乏した状態の、異なる『電子』が電源に戻る必要が有るのか。『エネルギー保存則』の意味を忘れないで欲しい。『電子』が負荷を通過しただけで、負荷で『エネルギー』を発生できる訳はない筈だ。無から『エネルギー』は生まれないのだ。電池における電子の役割を問う (2018/05/24) で矛盾の解説に使ったのが下図である。

Fig.1. の図の意味。普通の電池記号と異なる図で表現した。単純に電池の意味を表現すれば、陰極の電極金属で『エネルギー』源のエネルギー貯蔵物質を包み込み、そこから『エネルギー』の無い陰極側に放出され、負側電線路を通して負荷に供給される絵図で捉える。電池の陽極電極および充填物質は所謂電位としては同一にある。充填剤に貯蔵された『エネルギー』はその内部では『エネルギー』として存在している訳ではない。しかし陰極金属体との間には『エネルギーギャップ』が存在する。陰極のエネルギーレベルが充填剤より低い。その接触ギャップで、自動的に充填剤の内部から空間構造変換として『エネルギー』が陰極側に放出される。それは同時に電線路が繋がれているば、その回路空間に対してもそのギャップを埋めるために『エネルギー』が放出される。だから電池内部に見える形で『エネルギー』が貯まっている訳ではない。充填剤の分子的な構造変化として含まれているだけで、結局は質量開放として『エネルギー』の放射になるだけである。

電池の物理現象と科学論。電池の『エネルギー』を観測することも計測することも出来ない。ましてや『電子』の数量を計ることなどもっと困難である。仮想概念で、実在しない物は計れないから。それでは、電池内の『エネルギー』は在るかと言われればそれも無いと言わざるを得ない。『エネルギー』は忍者じゃないが、分子構造の中の質量となって貯えられているとなれば、それは空間分布の『エネルギー』として存在する物にはならないから無いとなる。質量と『エネルギー』に変換し合う物理量は科学論で測り様が無い物だ。自然世界は余りにも純粋過ぎて、物質論の理論の計測手法に馴染まない物かも知れない。分子構造から解放される『エネルギー』が科学論で解明されることを祈る。

関連記事。独楽の心 (2019/01/05) 。熱の物理 (2019/02/07) 。