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力の概念と電気物理

視点一つが世界を変える。

不図疑問が湧く。今までの認識に疑問が種となって、新たな世界が驚きの中に膨らむ。今回は『力』である。電気と言う目に見えない現象故に、その世界描写は数学的な表記によってとても抽象的に描かれる。多くの法則によって体系化された学術理論の世界である。科学理論の世界は長い歴史の重みを背負って、何百年の時に亘って専門家の追究の試練に曝されて生き残って来た学術理論である。その根幹を成している概念は『電荷』である。それはクーロンの法則と言う偉大な科学技術論を論ずる基幹法則として誰もが一度は聞いたことのある法則であろう。『電荷』間に働く『力』の意味を解釈する法則である。科学理論は社会的に認知された、学術機関の専門家が推奨する権威ある理論で、広く学校教育での標準教科書として取り上げられたものである。そんな理論の根幹の「電荷」を否定することは、社会的大きな混乱を引き起こすかもしれない畏れ多さを抱える事でもある。自分一人の科学技術感覚からの『電荷』否定の挑戦であった。クーロンの法則を斬る (2013/01/06) の記事から6年が過ぎた。今回その法則に関して、力学理論の『力』の概念から改めて『電荷』否定の論証視点が浮かび上がった。気付けば当たり前のことと思う様な『電荷』に潜む矛盾点である。

力学論の力の概念

運動力学の『力』とはどのようなものか。そんな疑問を抱くことに意味があるのかと思うかも知れない。力が働くという意味で感覚的に感じるのは力を掛ける対象に、力に逆らう反作用のような抵抗がそこにはある。それが慣性体としての質量の意味だと思う。運動力学で力が掛ると、その対象は力によって加速度運動に成る。もし力の対象が質量体で無かったなら、その対象はどのような運動に成るのだろうか。図の力の概念に示したように、質量M[kg]が力に逆らって速度の変化を受けないような作用があるから力を掛ける側に、対象に作用するという意味が生じるのだ。もし対象に質量がなかったら、加速度と言う概念は存在しない。加速度の存在しない『力』の概念は力にはなり得ない。

電荷と力

図1.電荷と電界と力

さて、電気物理学では『電荷』がすべての電気現象の理論的論拠となっている。電場に『電荷』が有れば、その『電荷』はその点の電界強度によって『力』を受けると成っている。(1)式のように、空間にある電荷集合体+Q[C]が有れば、その周りの空間は立体空間全体に電界強度E[V/m]で定義付けられると成っている。その空間に、他の『電荷』が存在するとその電界Eによって力を受ける。電荷が-q[C]とすれば、(2)、(3)式の力を『電荷』が受けると言う。(3)式が有名なクーロンの法則の式である。なお (r/r)は座標ベクトルrの方向を示す単位ベクトルの意味である。荷電粒子が電磁場で力を受けて運動する現象は実際にあるから、確かに間違いとは言えない。しかし、上に示したように、『力』の概念で述べたことも間違いではない。質量がなければ、『力』は掛からない。『電荷』に慣性は無いから、それは『力』の対象にはならない筈だ。もし力が掛れば慣性のない『電荷』は直ちに無限速度で飛んで消えて、運動論の対象にはならない。前にも、荷電粒子加速と電磁力 (2015/01/31)で問題にした。今回不図した思い付きで、『力』の概念について気付いたことが質量の慣性と言う意味であった。クーロンの法則を斬る (2013/01/06)で『電荷』とその上の(3)式の否定を論じた。今回はっきりと納得できたのが質量の慣性と言うものによって初めて『力』が意味を持つという事であった。それなら実際に電磁場と言う空間での荷電粒子加速現象はどのような意味なのかという自然世界の認識の課題である。実際の電磁場での粒子加速運動論には必ず質量を必要とするから、電子にも陽電子にもすべての粒子には必ず質量が付帯している。そこで一応運動力学論としての辻褄が合わせられている訳である。しかし電気回路の電流論に成ると、電流の単位アンペア[A]=[C/s]には決して質量は必要ないから、『電荷』だけで論じられることになる。この『電荷』と『力』の問題は、世界で実施されている荷電粒子加速実験の理論的根拠の問題でもあろうかと考える。

電荷と電磁場

もう一度電荷とその電界の意味を取上げて考えて置きたい。『電荷』の意味を考える時、とても不思議に思うことがある。或るプラスの正電荷の集合体が空間にあると設定されて解説される。クーロンの法則に直接関係する電磁場の論考に於いて、どのような原理で同一の符号の『電荷』が集合し得ると考えるのか。同一符号の『電荷』は離隔距離の2乗に反比例して強力に接近は拒否される筈である。子供達に教える教育の場で、クーロンの法則が取上げられて、説明される時には同一『電荷』の集合は排除されると教える筈である。しかし、図2.のようにいとも簡単に『電荷』の集合体で理論の解説が成される。これも科学論の不思議と言わなければならない。その時の集合電荷の離隔距離はおそらくゼロの意識で論理展開しているのだろう。ゼロの2乗分の1は無限大の排斥力となる。この事は教育者側の科学論の論理性の問題としても無視できない矛盾論の筈であろう。それはさて置き、問題は電荷周りの電磁場の意味である。図2.電荷とエネルギー のように空間の誘電率がεo[F/m]とすると、その空間のエネルギーをどのように理論的に解釈しているかという問題である。係数が(1/2)の問題はさて置くとして、一応wr=(1/2)εE^2^ [J/㎥]のような電界のエネルギーが空間にあると解釈する筈である。『電荷』からの空間距離rの関数として、『電荷』周りにはエネルギーが分布していると解釈してよかろう。しかし、物理学理論で空間の解釈をする時はこのようにエネルギーを認識している筈であるが、荷電粒子加速などの場合には、この空間エネルギーをどのように解釈しているのかはハッキリしていないようだ。このエネルギーの問題は理論物理学における『電荷』の概念の捉え方に関わる問題であるから。と言うのは、このエネルギーが空間に存在していると解釈するかどうかが最初に問わなければならない問題なのである。そのエネルギーは電界がある限り、空間の無限遠までも希薄になっても存在することになるからである。空間に存在すると解釈するなら、そのエネルギーを理論物理学ではどんな物理量と考えるのか。即ち『電荷』の一部なのか、『電荷』と無関係のエネルギーなのかと言うことを問う問答なのである。この解釈・考え方は至極幼稚な素人的素朴な疑問なのである。しかしこのような考え方が、理科教育・自然科学論に求められて居る易しさの科学論の姿勢であると考える。高度な数学的理論展開では、市民が理解し、納得する自然科学論にはならないから。本当の自然科学論は日常用語で解説できなければそれは正しいとは言えないのだ。何故このように『電荷』とその周辺空間のエネルギーの問題を論じるかは、高度な理論を展開されている専門の方々こそお分かりの筈であるから。ついでにもう一つ図2-1.電荷と力とエネルギーとして、単位電荷が空間に分布していたとする。この場合は、『電荷』間には複雑な力が掛ることに成り、その空間のエネルギー分布も正と負の電荷によって、種類の違うエネルギーが存在すると解釈するべきなのかなど理論的に決まりの付け難い問題が残るようだ。本来エネルギーには『正』と『負』は無く、ただ『エネルギー』が存在するかどうかの問題であるから。そういう意味で、物理学理論の易しい解釈を求めての論考である。易しい理論的解説は難しい数学や数式は必要がない筈だ。『電荷』が『エネルギー』を持っているか、いないかを答える事ぐらい難しい事ではなかろう。結局『電荷』とは何かを問うことである。電気磁気学、電気回路論あるいは電気工学のそれぞれの解釈の場で、『電荷』が如何なる実在量かの描像を示す事が求められていることと思う。それは次の謎解きの話になろう。

理論と電磁現象の間の謎解き

波形観測に欠かせない電気製品にオッシロスコープがある。電子銃からの電子ビームを平板電極間に通すと、その電極の電圧信号に従って、電子ビームの方向を制御できる。蛍光面にその制御されたビームの軌跡が波形を描く。その原理が電子電荷の空間電界による制御と解釈される。これが科学技術の電磁現象解釈原理となる。技術としてはその原理を理解することが必要であり、それだけで十分立派な電気技術者の仲間に入れる。教育もその意味で技術理論の習得への期待が国家の教育方針とされてきた。それはそれで良かった。『電荷』と言う概念を考え出して作り上げた意味はその為に有効であった。ところが、その科学技術用の理論を深く突き詰めると、とても曖昧で、論理性に絶えない矛盾が潜んでいることに気付く筈だ。科学技術教育ならそれでも良かった。しかし、自然現象を説き明かす物理学理論となれば、その矛盾を抱えて頬被(ホウカブリ)したままやり過ごす事はできない筈だ。ではそれはどんな矛盾で、何故理論が論理的で無いと言うかを説明しなければならないかも知れない。聡明な皆さんは既にお分かりの筈であろうが。その曖昧さを取り除くには、『電荷』が理論に絶えない概念であることを理解しなければならない。 f=q[v×B]+qE [N] の式で解釈するローレンツ力の力が掛る対象は電荷q[C]である。その式は質量が無い式だ。荷電粒子にこっそり質量が有ると条件付けられてはいるが、それは運動論を展開するには質量がなければ無理だからである。しかしあくまでも力の掛る対象は原理の式には『電荷』しかない。『電荷』には慣性がないから力が掛る対象にはなり得ないのである。しかし現実は、この式で解釈する通りの荷電粒子と認識する『電荷』のビームが制御される。この論理的不都合を解決する解釈法が一つあるのだ。それが『軸性エネルギー流』だ。電磁場空間内の空間電磁エネルギーの分布を理解する道である。『静電界は磁界を伴う』と言う奇妙な表現内容に鍵がある。電界と言う電場空間は、むしろ磁場空間なのである。磁場空間は磁束がある訳ではなく、軸性エネルギー流の場である。言ってみれば、『電子』も軸性エネルギー流子なのである。エネルギー流空間に電子と言う軸性エネルギー流子が通過すれば、エネルギー流同士の間の近接作用力が働くことになる。過去に載せた関連記事の図を挙げて置く。電子スピンとは?-その空間像-(2011/02/09)

 

 

 

 

 

 

 

素粒子-その実相-(2012/07/31)

 

 

 

 

 

エネルギー流と結合(2018/10/10)

 

 

むすび

問題の解決は『電荷』とは何かに答えることである。それはまた『電子』とは何かに答える事でもある。そこに未来の道が観えて来る筈だ。空間に実在するということは、その空間像を描くことでしか解決できない。抽象的な数式には姿が観えない。軸性エネルギー流は磁場と言う空間の物理的姿を示した空間像である。身近にあるマグネットのNSの磁極近傍の空間に在るエネルギーの流れの様子を示したものが軸性エネルギー流であり、それは磁極の表面空間を流れている回転エネルギー流である。その空間に実在するエネルギーを見ることはできない。それを計測することも、観測することも出来ない。その観えないものを『電子』などと捉えて、科学理論を構築して来たのである。『電荷』概念の矛盾に気づくなら、空間のエネルギーが(心にあるいは感覚的に)観えて来る筈だ。そのエネルギーに関する空間論は観測できないから科学論に成り得ないかもしれないが、そこに至らない限りは自然に心を添えないと言うことであろう。『エネルギー』を認識すれば、自然世界の本質が観えて来る筈だ。以上でクーロン力の矛盾についての論説は終わる。次の記事で、アンペアーの法則の回路電流における電子流の矛盾について述べたい。

電磁力の本質

電気磁気学は電気と磁気の学問である。本当は電気と磁気に分けることに意味は無いのだが、電気工学の伝統的理論で別物として考えるのが常識となっている。今回はその磁気の意味を探ってみよう。(2017/11/15)追記。ここに書いた磁気に対する筆者の考え方とは異なるのが科学学会の常識になっているようだ。地球磁場が逆転すると考えられているようだ。地球の磁極が過去に逆転していると。とすると地磁気の発生原因をやはり地球内部のダイナモ理論が支配しているように思う。物理学の根本概念に関わる問題である。地磁気とコンパスに少し解釈を述べた。筆者は地球の回転が何故偏西風より遅いのか。地球は何故回転するのか。太陽系の惑星は何故同一方向の回転をするのか。など天体運動の根本で論理的に説明のつかない謎で筆者だけなのかも知れないが、捉え切れずに、頭が空回りの状態にある。電気磁気学の電界・磁界の解釈では『エネルギー』の流れとして統一的に捉えたつもりでいるが、地球内部のダイナモ論は受け入れ難い。磁鉄鉱が磁気を持つとはどのような仕組みかを考えれば、地球の回転が逆転しない限りは地磁気が逆転する訳は無いとしか言えない。一言気掛かりで追記した。昨日(11月15日)に続いて追記。地球は偏西風以上の速度での回転力(この回転力とは、地球を回転させている原因としての太陽系全体を回転統一体系として支配している回転エネルギー原理―具体的に示せないが―と観たい)で回転させられているから表面エネルギー流に因る磁気特性が存在する。不図気付いたが、月は地球軸の周りを廻るが、回転しているとは言えない。地球に同じ面を向けている。だからその面の反対側は地球軸に対して弱い回転をしているとも見られる。その地球に面していない月の面は少しはエネルギー流の影響を受けているかも知れない。そのエネルギー流を検知できれば磁気的状態を観測できるかもしれない。地球もエネルギー流の回転の支配下にあるが故に、そのエネルギー流とコンパスの関係で地磁気として観測していると解釈する。ダイナモで磁気が発生している訳ではない。

磁気とは何か? 誠に掴みようのないものに見える。磁石(マグネット)がその意味を単純に示している。必ずN極とS極が対になって磁石の両端に現れる。しかし、N極とS極と言う磁気が有る訳ではない。ましてや磁荷+m[Wb]、-m[Wb]等と言うものが有る訳では決してない。我々が磁気の物理的性質を解釈するために考えた出した解釈手法でしかない。コイルに電流が流れると、そのコイルの両端にも磁石と同じようにN極とS極のような磁気が現れる。コイルの中を見てもそんな磁気が有る訳ではない事は誰もが分かろう。コイルの中味と同じことが磁石の中味である。何も無いのである。何も無いと言うのは間違っていて、何かが在ることには違いない。何か(電気磁気学では磁束)が基で極めて強烈な特性を示すのが磁気の“磁気”と呼ぶ物の本性である。その何も無い(電気磁気学では磁束が有ると解釈している)としか思えない現象・自然の隠された処にこそ力が在る。磁束では説明できない力が在る。直線的な引力・排力で認識する意識意外に、今まで気付かなかった重要な『力』の本源が有りそうな予感に、長い歳月(渦巻銀河の不思議の昭和62年以来)に亘って引き摺られて来た。

磁極NSの意味 地球にも北極(S)と南極(N)がある。地球が磁石になっているとは何と言う事か。磁石の基は何なんじゃ?地球の中心に電流が流れて磁気が出来ると昔は説明されても居た。電流が円形状に流れれば、磁気は電流より外には出来ないことはコイルの電流から分かる筈だ。磁気は電流が作る訳ではなく、磁気と言う物も人が解釈した自然の解釈概念でしかないのだ。

磁極NSの意味NSの意味 電流の流れるコイルとマグネットでは磁極NSの空間的関係が似ている。電流とは電流と反対向きに電線に沿って、エネルギーが流れている現象である。電気エネルギーとも言えば良かろう。あるいは電線に沿った光とも言えるかもしれない。光も見えない電気エネルギーと同じものだ。図のように、磁石(マグネット)とはその周りをエネルギーが流れているもので、磁極の本質はそのエネルギー流の向きを見る観方で決まる極性である。コイルとマグネットの間で少し異なるのは、コイルの磁場はコイルの内側であるが、マグネットの磁場は磁石の外側にエネルギー流が在る。エネルギーの廻る方向に対して、左ねじの進む向きが極性N極方向を指す。科学論の求める実験的検証を示せれば良いのだが、光の流れを測定する方法が見当たらないので困難である。

一つのもの コイルの中に出来る磁気のNSを説明するにはエネルギー流一つしかない。コイルに蓄えられた電磁エネルギーの示す自然現象を磁気と伝統的に解釈して来た。また勝手な我が儘解釈と顰蹙(ヒンシュク)を買いそうなことと知りながらも、電磁現象の本質を秘めた光・電気エネルギー(質量に無関係)の意味を御理解いただきたくて。

磁束φ[Wb]と電磁力の関係 磁気あるいは磁場と言えば、それは磁束φ[Wb]の存在する空間の自然現象の解釈上の捉え方にもなろう。磁束と言う実在量が在る訳ではないにも拘らず、磁気を論じるに磁束にお出まし頂かなければならない自己矛盾の中での展開論を謝らなければならない。しかし磁束では磁界と言う場の本当の意味は説明できない。磁界の意味はどのようにその存在を認識出来るか。それは電磁力(磁力)と言う力が働く場であるかどうかで判断できる。電磁力・磁力は磁気のクーロンの法則と言う数式表現で解説される。教科書の磁力の説明である。ここでも磁気のクーロンの法則を否定して、エネルギー流に因る力を説明しようと言う非常識を説こうと考えるのである。二つのマグネットを向かい合わせてその距離を近付けると、向き合うN極とS極の間の引力が急激に強くなる。ただそんな日常の生活で経験する単純な力の意味をマグネットの空間磁場の中でどう解釈すれば自分が納得できるかを考えるだけのことである。何も難しい理論を考えている訳ではない。電磁現象に深く馴染んだ職人的感覚で統合した解釈でしかない。磁束φ[Wb]と言う概念が表現する物理量が存在するとは考えられない事から到達した結論はエネルギーの回転流である。その関係をまとめたのが砂鉄による磁界分析である。とても残念であるが、磁束量は電気工学の科学技術概念としては誠に便利であり、大切なものでありながら、物理学の概念としては論理的に矛盾に耐える物理量ではないと考える。それ以上に問題と思うのは磁気のクーロンの法則である。磁荷と言う物など存在しないのであるから。それでは磁石の強力な電磁力の原因は何なんだろうか。直線的な距離を変数とする表現式で力が決まると解釈することは無理であろう。磁気の存在する空間に起きる現象はその空間にエネルギーが実在することで起きる。質量の無い空間のエネルギーの存在を認識する必要がある。磁性体、鉄等は磁気に反応し易い。磁気に反応と言うより空間のエネルギーに反応し易いと言った方が良かろう。原子周期律表の中で、鉄などが何故空間エネルギーに反応し易いのかに謎を説く鍵があろう。それは眼で見る訳にはゆかないので、こんなものかと想像するより他に無い。鉄はそれ自身磁気的特徴のエネルギー円環流の空間構造的軸性を備えている元素と観たい。エネルギーの回転流に対する軸性である。その軸性が特に強い元素ではなかろうか。磁気と言う概念も磁束で評価しているが、磁束と言う矢印で表現する意味はエネルギー流と言う謂わば『独楽(エネルギー円環流)』の心棒に当たる中心軸の方向を表現していると考えた方が良かろう。こんな科学論としての普通に求められる実験的検証が出来ないままの想像の話で誠に申し訳ないが、元々質量は光が熱にもなるし、それは質量にも変化するとの譲れない質量観からの解釈であれば、その点お許し願いたい。鉄も変転流転の原子変換途中の一状態でしかないのだから。鉄が初めから鉄で、変化しない等とは考えていないだろう。水素も何処までも水素のままだなどとは考えないとは思うから。光が光のエネルギーのままで変化せずに、行き場もなく消える訳ではなかろうから。光と質量は何も本質に違いが在る訳ではなく、全く等価である。と顰蹙とお叱りをかう後で、電磁力の本質は何かと考える。エネルギー流の空間微分がチラチラと頭に浮かぶ。エネルギー流に直交する力の発生原因を表現する方法にどんなものが有るか?と考える。その電磁力は原子や分子の結合にも働いている筈だ。空間エネルギー流の密度に関係した量の偏微分rotationの計算で捉えるべきであろう。

理科教育と磁気 学習指導要領で、理科教育の内容が決められている。少なくとも磁荷に因るクーロンの法則での磁力解釈は子供達の未来への科学認識に誤った意識を残すだろう。教育内容は主権者である子供達の為の、子供達が何を望むかで決めるべきだろう。

電磁力を取上げた訳 整流回路のリサジュー図形を空間ベクトルでの解釈の仕方を説明しようと思ったら、どうしても発電所の「同期発電機」の構造と力に因るエネルギー伝達の意味を考えなければならないと思った。それには電磁力の本質を捉えなければならなくなった。そこで考えをまとめようと思ったからである。

荷電粒子加速と電磁力

自然現象は法則によって理解する事が科学論理の共通認識に極めて重要となる。しかし、哲学としての自然観から見ると法則の公式に纏められる程自然は単純ではない。やはり電磁気現象を取上げて、その電磁気学的解釈を数式で纏められた法則の中味について、少し詳しく考え・吟味してみよう。代表例として、荷電粒子の加速現象を取上げる。荷電粒子を加速するには、電荷と電磁場の電界、磁界の間に発生する力関係が問題になる。電磁力とは何かを理解しておかなければならない。今年の大学入試センター試験の物理の問題に荷電粒子の加速の課題が出題されていた。何となく暗記していれば、考えなくても答えを選びだせるが、物理的な現象として深く考えると、答えられなくなる。決まり切った常識的な答を選び出す感覚を教育に求めるならば、それでも止むを得ないが、考える物理学としては首を傾げざるを得ない。そこで少し自分なりに考えをまとめておきたくなった。物理問題に挑戦して(2015センター試験)。

電磁力電磁力

自然科学と言う学問分野は、自然現象を解釈するのに、先ず分析して様々な現象の中味を分類し、細分化した基本の概念を定義して、誰もが共通理解できる基盤を整える。その上で、解釈法を新規に開拓する事で新たな進展を遂げる。新しい解釈や発見が科学技術の世界を広げて、社会に貢献する喜びが科学者の生き方と成る。科学技術の世界は見違えるほど進化し、人類は豊かさを享受して来た。その推進力が科学理論であるとみんなが理解して来た。科学理論即ち基礎概念と。その中で、自然科学の基礎概念の矛盾を唱える事は、世界常識を覆すことにもなる訳であるから、専門的科学界からは理解され難い。そこに哲学と言う深く考える意味が生まれて来ると思う。上に挙げたファイルの電磁力の中味を解剖してみようと思う。

電磁界 電気の現象が生じる空間場を電磁場あるいは電磁界と言う。電気磁気の場とも言うように、電気と磁気の二つがそれぞれ独立して、あるいは両方が巧みに絡み合った関係で存在する場(マックスウエル電磁場方程式)として捉える。ところが、詳しく分析してみれば、電界や磁界と言うその場の状況さえ余り厳密に定義されている訳ではない事に戸惑わざるを得なくなってしまう。だから、その電磁場での荷電粒子の加速現象も、良く意味が分からなくなってしまうのである。そこで、荷電粒子の電磁場での加速現象を、電磁力と言う式の意味から解剖してみようと思う。

力ベクトル力ベクトル

荷電粒子の運動方程式は電磁場の空間のベクトル計算で解釈される。電界ベクトルE(物理的な定義が判然としない。電荷からの電気力線の太さ的な強さとでも考えるか?)と磁界ベクトルB(磁束密度:単位面積を通る磁束線量か)の二つの電磁界供給源に因る電磁場が空間に造られたとする。それぞれのベクトル方向は独立して存在する。その電磁場にプラス電荷q[C]の粒子が速度v[m/s]で入射した。その時粒子が受ける電磁力には、磁界と電界の二つの独立した力を受ける。その合成力がf=f_B+f_E である。電界に因る力は電界ベクトルのスカラーq倍で、電界ベクトルと同じ方向ベクトル力となる。磁界Bによる力は、荷電粒子の速度ベクトルvとのベクトル積で決まると成っている。以上の電磁力のベクトルを上に図解した。教科書的法則に因る電磁力の意味を示した。問答はここから始まる。『電荷』が電界や磁界との空間での相互作用で、何故力が生じるのかと疑問を持たないだろうかと言う事である。『力』とは何か。遠隔作用力か近接作用力か、明確に共通認識されているだろうか。等を考えてみたい。

電磁力の意味 先ず磁場による力を考えてみよう。磁場から受ける力は荷電粒子の速度ベクトルと磁束密度ベクトルとのベクトル積で解釈される。[v×B]のベクトル積は、速度ベクトルvから磁気ベクトルBの向きに右ねじを回した時の、ネジの進む方向に力が生じる。vにもBにも垂直の方向に発生する。上の図の場合は、両ベクトル間の間の角度がθであるから、力の大きさはf=qvBsinθとなる。何故そのような力が生じるのだろう。ところが『電荷』が静止している場合は磁場の中でも何も力は発生しない。式の意味からすれば、静止電荷に対して、磁場の強度がどのように変動しようと力は発生しないと言う事になる。それは、『電荷』と言う概念に対して磁界は全く作用性を持たない、不干渉の関係にあると言う事だ。ところが、磁界に対して『電荷』が動くとたちまち力が生じると言う。一様磁場と言う磁界の変化の無い空間で、『電荷』が運動したとしても、磁界との相対的変化は何も生じない。もともと『電荷』には磁界は無いと定義されている。にも拘らず『電荷』が一様磁場で運動するとその速度と磁界の両方に直角の方向の力が生じると言う。この場合の力の発生原因を何に求めれば良いのだろうか。速度に対する電荷のスカラー倍qvの次元はどんな意味か。qv[Cm/s=Am=(J/H)^1/2^m]となる。磁束密度はB[Wb/m^2^=(JH)^1/2^/m^2^]である。その積が力の大きさで、f_B_=qvBsinθ[J/m=N]と確かに次元は問題ない。しかし、速度vやqv[Am]の物理的意味が磁界との間に力を生む原因と考える事に大変抵抗を感じる。それは個人の感覚的なもので、科学の論理に関係ないと言われそうであるが、そのまま済まされない問題と考える。なお次元についてはエネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系をご覧願います。

次に電界に因る力を考えよう。空間に電界があると言うことの物理的意味は何だろうか。電界は真空でも存在する。電気は光と同じであると言う事から考えれば、光は真空こそその本領を発揮できるのだから、電界の正体は光とどんな関係で捉えれば良いのだろうかとなる。電界は空間の単位距離に存在する電圧の大きさと言う単位で理解する。空間に電圧が在るとはどんな意味か。真空空間と違う何かの歪みを含んだ空間であろう。電気力線が密集している空間と考えても、そんな空間歪みでは認識できない。電界ベクトルEに対する『電荷』のスカラー倍の力の大きさf_A=qEの次元は[CV/m=(JF)^1/2^(J/F)^1/2^/m=J/m=N]である。この電界に因る『電荷』に働く力が何故生じるかを理解できない。『電荷』が空間に存在する時、その『電荷』の周辺に自身がその存在をどのような物理的姿によって主張するのだろうか。『電荷』の空間に放射するものは、やはり電気力線と言う仮想概念でしか表現できない。空間の電界強度と言う電気力線と『電荷』の放射する電気力線がどのように結び合うと考えれば良いのだろうか。空間の電界と『電荷』の電界とどのような量的結び合いで、その力を理解すれば良いのだろうか。この場合の『電荷』に働く力はクーロンの法則に因ると解釈する訳でもない。何となく、意味不明な電界強度と言う場では、『電荷』は力を受けるのだと言う専門的常識で説き伏せられるような感じを受ける。反論する側も明確に指摘できない曖昧さを抱えている点が口惜しい。

荷電粒子 不確定性原理と言う表現が在る。粒子の位置と速度(運動量=速度と質量の積)を同時に把握する事が不確実であると言う意味程度で解釈している。荷電粒子の状態を検出する実験的手法はどのように行われているかが知りたい。高速になる程不確実になるだろうと推し量れるが、実際の検出法が分からないと、荷電粒子加速の全体像を理解できない。計測は粒子のエネルギーを必ず検出に取り込む必要がある。その辺の理論的な検証が必要になると、実験手法には必ず伴うと思う。

荷電粒子の描像 『電荷』を否定すれば、荷電粒子を『電荷』概念なしにどう解釈するかに行き着く。全ての素粒子が結局『エネルギー』に集約されると考える。光、熱のエネルギーには質量を考慮しない。質量・エネルギーの等価原理。磁場のエネルギー流空間としての解釈と、荷電粒子のエネルギー回転流体との間の相互作用から『電磁力』を捉えたい。素粒子ーその実相ー

新世界ー科学の要ー  (2017/11/06)追記。新世界ー科学の要ーの記事は訂正し謝らなければならない。平板コンデンサ内のエネルギー流は一つであろうと思う。下部電極からのエネルギー流は無いと思う。科学的検証法がなく誠に申し訳ありません。3月に入って突然忘れていた大事なことに気付き、まとめたのが静電界のエネルギー流である。30年かけた結論でもある。荷電粒子の加速問題は、この静電界の物理学教科書的解釈でない自然界の物理的真理を認識すれば、自ずから取上げた意味が理解されよう。

変圧器ー物理学解剖論ー

技術法則としての原理 電気エネルギーの利用が可能に成り、急速に技術革新が進んだ。その送配電が交流方式という事で、便利さが格段に電気事業の拡大を進め、そのエネルギー無しの生活は考えられない時代となった。その電気エネルギーの送配電には「変圧器」が欠かせない主要な機器である。電気現象を科学的に捉えたのは、1831年頃の『ファラディーの電磁誘導の発見』に遡ろう。その電磁誘導の法則が変圧器の動作原理として、物理学の教科書の基本を成している。標題でー物理学解剖論ーと副題を付けた。ここで解説しようとする事は物理学教科書の内容を説明するのではない。ファラディーの電磁誘導則の矛盾解説である。変圧器の動作原理を深く突き詰めて、その意味を解剖して明らかにしようとするものである。従って、受験のための学習者即ち受験試験成績の得点には極めて不都合で逆効果の、効率の悪い解説である。教科書が間違っている事は自然科学全体の未来への大きな課題である。しかし、『真理は安易な学習では到達できない』事の意味をも含めた解説ではある。先ずは、技術法則として有用である事に変わりはないので、『ファラディーの電磁誘導則』から変圧器の意味を考えてみよう。二つのコイルを近付けておく。その一方のコイルに電圧を印加する。ここで、教科書では電圧を掛けたコイルに「励磁電流」と言う磁束を作る為の電流が流れると解説される。しかし、技術法則としては、原理的には電流で磁束が出来ると言うのは、論理的に説得力に欠ける説明である。

電圧時間積分の意味 ①図で、コイル巻き数n_1_、磁束φ_1_および印加電圧e_1_として、その関係を表したのがファラディーの式である。その式には電流の値(変数)は入っていない。電圧と磁束の二つの変数の関係だけを表すのがその式である。ならば、式を変換して積分形式に表現しても同じ事である筈だ。それが①図の右下隅に示した表現式である。この式も当然のことながら、励磁電流と磁束の関係等何処にも示されていない。ファラディーの電磁誘導則から、途中に無駄な概念を追加する曖昧性の介在なしに、直接導かれた式である。説明の為に、新しい概念を追加して広げる事が現代物理学理論を迷走させた原因になっていると考える。そのような意味が、この「励磁電流」と言う不要な概念にも見えると言えよう。最後の結論としては、「磁束量」と言う概念さえも破棄しなければならない矛盾に論点が進むのであるが。しかしそこまで行く過程で、今は「磁束」の意味を取り入れて論を進める。ファラディーの法則は、電気磁気学の基礎理論として、変圧器の動作原理の解釈に長い間揺ぎ無い足掛かりを提供して来た有り難い法則である。電気理論で少なくとも変圧器の解釈に磁束概念を使うなら、励磁電流は使うべき概念ではない。①図は変圧器概念の説明の為、一次巻線と二次巻線で示した。しかし、空間に一次巻線のみが単独にある場合は、単にソレノイドコイルと言う普通のコイルになる。そのコイルに電圧を掛ければ、何となく電流が流れ過ぎて、コイルが焼け切れると心配になる。その疑問・心配が電気を扱う上での重要な感覚なのである。その疑問が感じられる事により、次の深い意味を知る切っ掛けに繋がるのであろう。『問答』とは『問う事』が次の事初めに大切である。問わない人に『答』は用意されない。電圧時間積分と言う意味が少し理解出来る事に繋がると思う。コイルに電圧を印加した時、磁束量は電圧の大きさ、およびその電圧の時間的に変化する周期や波形で決まるのである。もし交流電圧のサイクルが極めて短い時間で、正負に切り替えられるならば、相当高い電圧でもコイルが焼け切れるような事はない筈だ。1万サイクルなどの高周波なら、多分コイルは有効な回路素子のインダクタンスとしての機能を発揮する事になるだろう。当然印加電圧がバッテリーのような直流なら、電源投入と同時に電気事故になる。直流電圧の時間積分でコイル内の『空間』はエネルギー貯蔵の限界を超える結果となる。空間定数値、空間透磁率μ=4π×10^-7^[H/m] の許容限界を超える自然の掟に逆らった行為であるから、許されないで、事故となる。ファラディーの電磁誘導則はそのまま、微分形式と積分形式で受け入れる事が重要である。励磁電流等に煩わされる学習上の無駄は不必要である。教育は、教科書初めその無駄が多くて、既存の教育業界を「考える教師像」から程遠い業界団体にしている。 写真400

磁束とリサジュー図形 技術法則として、鉄心磁束と電圧時間積分の関係の認識は重要である。変圧器の鉄心中の磁束がどの様に変化するかを観測する事で、その概念を理解する。一つの例として、インバーターが動作波形の理解に役立つだろうと思う。どんな方法で磁気特性を観測するかを参考に示しておこう。①-1に直流電圧e_1をスイッチ(トランジスタ)で切り替えて、コイルに印加すると、その磁束波形Φは直流電圧の時間積分として、一定勾配の直線状に変化する。切り替えで、磁束波形は結局三角状の波形となる。一応無負荷電流i_0(これが励磁電流と言う物になる)を示す。励磁電流は鉄心の磁気特性で決まると解釈されている。図では鉄心が省いてある。電流波形が磁束の変化に対応していない事を一定の電流値で殊更強調してある。スイッチングの切り替え点で電流が少し飛び出して、増加しているように赤く示した。それは後程鉄心の磁気特性で、起磁力(i_0)と磁束(Φ)の関係を示す『ヒステリシスループ』のリサジュー図形の説明のための準備である。ここでどのように磁束波形を観測するかを示そう。写真397変圧器の入力側に電圧時間積分検出の為の積分回路を追加する。コンデンサと抵抗の直列回路を電圧端子に付加すれば良い。抵抗R[Ω]の値とコンデンサC[F]の値で電圧の時間積分の周期、「時定数」と言う技術用語τ=RC[FΩ]が決まる。切り替えのスイッチング周期に対して、十分長めに、大きく取れば積分回路の役目をする。単位が[FΩ]=[sec(時間の秒)]になっている事はとても重要な単位系の認識を喚起するものである。単位について、エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系をご参照ください。起磁力は電流が流れる回路にシャント抵抗SH(抵抗値殆どゼロ)を挿入して検出する。アース点G、yとx点をオッシロスコープの信号として観測する。その結果の波形が右図のように得られる。オッシロスコープの入力信号で、横軸の掃引信号にxを縦軸信号にyを選べば、鉄心の磁気特性が観測出来る。図の『ヒステリシスループ』で、鉄心の磁束レベルが丁度飽和する限界状態に在るものを示した。①ー1で、電流値が終端部で跳ね上がるように示したのは、磁気状態が飽和限界でスイッチングされている事を示した。それがヒステリシスループの赤い横にはみ出した部分に相当する。後で破棄する磁束概念を、ワザワザこんなに詳しく解説する意味があるかとお叱りを受けそうであるが、技術の現場の常識である事を考えれば、一応その点まで踏み込んでおかないと「磁束棄却」の意味が深く認識されないと考えたからである。以上で「磁束と電圧積分」の関係の解説は終わる。上のトランジスターインバーターのスイッチング動作については、ファラディ電磁誘導則・アンペア周回積分則の物理学的矛盾に述べてある。

(ヒステリシスループ観測上の留意点) 変圧器1次側、電源側に積分回路を設定する。変圧器2次側は無負荷で、負荷電流零である。積分回路のR,C等の定数の選定について。電源の周波数fサイクル。その1サイクルの時間、いわゆる周期TはT=1/f[s]となる。積分回路時定数τ=RC[s]は電源周波数fから、τ>5×T位で良いかと思う。コンデンサは無極性のコンデンサで、たとえばC=1[μF(マイクロファラッド)]を選んだとすれば、抵抗はR=100[kΩ]を選べば、τ=RC=100×10^3^×1×10^-6^=0.1[s]となる。もしf=50サイクルなら、T=20[ms]=0.02[s]であるから、τ=5×Tとなり、何とか積分値の磁束は得られるだろう。また、無負荷電流、いわゆる励磁電流と称する値ioは分流抵抗器で抵抗値が殆ど無いものでなければならない。分流器が無い場合は、1オーム以下の抵抗を何本か並列にして、出来るだけ小さい抵抗値を使えば測定可能と思う。電源周波数について、普通の交流電源のf=50,60サイクル等の場合には、上の設定値で巧く行くだろう。しかし、インバーターなどのスイッチング回路で、周波数が1[kHz]等と高い場合には、その周波数に合わせて、積分時定数τ=RC[s]を小さくする必要がある。以上蛇足かも知れないが、昔を思い出して追記する(2013/5/23)。

鉄心とコイル巻き数 さて、変圧器は空間に二つのコイルを配置しても、その機能を発揮できない。何が必要かと言うと、磁性材料の鉄心である。近年はレアメタルがとても貴重で、貿易問題にも発展している。携帯電話にも、その磁気特性が優れているため、無くてはならない素材と成っている。二つのコイル間の電磁結合を強めるにはコイルの中に鉄系の鉄心と言われる材料が必要だ。実際には、下手な図であるが、右の(ロ)のように一次と二次のコイルを出来るだけ密接に巻くのである。初めに、内側に二次コイル、その外から電圧を掛ける1次コイルを巻く。図に古いE,I鉄心を使って巻いた変圧器の概形を例示した。今はカットコアが有り、簡単に作り易くなった。この鉄心がどの様な意味を持っているかは、変圧器を作ると良く分かる。鉄心材料の磁気特性で、最大磁束密度と言う材質の特性がある。その値以上の磁束は受け付けられないという限界値である。設計式に、正弦波電圧の実効値Vボルト、周波数fヘルツ、コイル巻き数N、鉄心の断面積S㎡および最大磁束密度Bm[Wb/㎡]とすれば、V=4.44fNSBm(参考:4.44の係数は正弦波の積分による2π/√2=4.44の値である。その係数はインバーター等の方形波電圧では単に 4 で、V=4fNSBm となる。)がある。この条件を基準にしてコイルを巻けば変圧器として動作する事に成っている。(注意)変圧器の電源電圧を印加する1次コイルの巻数Nは上の式(V=4.44fNSBm)の巻数値Nより多ければ安全に動作する。その限界値が上に示した式である。その点を付け加えておく。さて、この鉄心がどの様な役目をするかと言う点は、技術論で論ずるならば特段説明を加える事も無いだろう。しかし、物理学解剖論としてはなかなか奥の深い事になるのである。磁束概念矛盾

磁束概念の棄却 上の③図は、学会の説明に使った資料かも知れない。変圧器の電磁誘導現象と同じように、磁石をコイル近傍で動かせば、コイルに電圧が誘導される。永久磁石はエネルギーの貯蔵体と見做せる。コイルにエネルギーを送り、コイルに繋いだ負荷でエネルギーを消費しても、磁石のエネルギー量は減らないようだ。先日不図不思議に思った。磁石(マグネット)はその磁極の近傍空間に、エネルギーを保持している。しかし、その空間のエネルギーはコイルの負荷にエネルギーを供給しても、無くなると言う事はないようだ。物理の基本に、『エネルギー保存則』がある。一通り理屈を付ければ、磁石を移動するにはそこでエネルギーを供給する事になる。その磁石移動のエネルギーの一部が負荷に供給されると解釈すれば良いのだろう。と言う事で今のところ納得する事にしている。自転車のランプはこんな磁石発電機(磁石を回転させて、周りのコイルに回転動力のエネルギーを伝える発電方式)だから、それで辻褄が合うだろうと。供給エネルギーが光のエネルギーに変換されるのである。エネルギーはさまざまなかたちで人の気付かない姿を演出しているのだ。磁束の破棄とその意味。図③で訴えたい事がそれである。その図に「磁束がコイルに鎖交する」が矛盾とある。他の投稿でも説明しているが、 div B = 0 [Wb/㎥] の意味が、磁場の基本的条件を規定している事である。磁束が通過する面積密度の量を磁束密度 ベクトルB [Wb/㎡] と言い、その距離微分を3次元空間全体で計算すると、どんな微小空間であっても、 B の微分値即ち磁束が微小空間当たりの体積から発散するものは無い。即ち磁場空間の何処でも、磁束の発散・発生する源は無い。即ち磁束量を表現する矢印の様な磁束に『頭』も『尾』も無い。と言うのが磁場、磁束密度の基本的に定義された概念なのである。磁束を使うなら、矢印で書き表せませんよと言う事を定義しているのである。div B =0 は磁界に対する基本的規定である。磁束を矢印で書き表す人は、磁気の基本概念(div B =0の意味)を理解していない人と言わなければならない。そこで考えるなら、コイル内に磁束がどの様に入り得るかと言う『問答』になる。頭の無い磁束はコイルを横から切って入り込む道は残されている。それはフレミングの右手の法則として知られている『発電機』の速度起電力を表す事になる。電磁気現象で、磁界とコイルの間の『起電力』に関するものには二つある。『速度起電力』と「変圧器起電力」の二つである。「変圧器起電力」は教科書ではコイルと磁束との間の『相対運動』に伴う電磁現象は無い事になっている。だからコイルを磁束が横から切りながら、コイル内に入る速度起電力の解釈はされていない。速度起電力も変圧器起電力も、本当は区別するべきものではないので磁束がコイルを切って入ると解釈すれば、一応磁束の面子も保たれてよいかも知れない。しかしそれだけでは、問題の解決には成らない。コイルと磁石間には『力』が働く。コイルに磁石を近付けると、負荷にエネルギーを供給するのだから、コイルが逃げようとする力が起きる。その力に抗して、コイルを抑えておく事で、初めて負荷に仕事が出来るのである。このコイルと磁石間の『力と仕事』の関係を合理的に解決する『問答』の『答』を出さなければならない。

磁石近傍のエネルギー流 さて、磁石の磁極近傍空間にエネルギーが在ると述べた。磁束概念を棄却するには、その代りになる何かを唱えなければならない。それが『エネルギー』である。磁束があるから空間にエネルギーがあるのではない。エネルギーが空間にあるから、そのエネルギーを磁束と言う仮想概念で、仮に解釈したら便利であると言うだけの理由で「磁束」を使っているのである。エネルギーの一面を捉える手法として磁束概念がある。物理学を学ぶと、電気磁気学と言う分野では、磁界の解釈に、解説に「磁束」が無ければどうにも収拾が付かない事になるのである。それでは磁束とは何かと『問答』を始めて見れば、何か良く分からないとなって、『答』が出ないのである。『電荷』と同じ不可解な闇に迷い込むのである。解決は、空間に実在する『エネルギー』しか他には無いのである。そのエネルギー流を④図に示す。

電磁力とエネルギー流 磁界の特色は磁石で示される『電磁力』の強さであろう。電動機と言う強力な機械的『動力源』にその特徴が示されていよう。磁石同士の間に働く電磁力は誰もがその強さを実感して居よう。磁極のNとSで、同一磁極間では反発力、異種極間では近い程強い吸引力が生じる。その磁力は、磁束ではどうにも巧く物理的理由の説明が付かない。NとS極を近付けた時、磁束概念では、接近する程強力な電磁力に成る訳の説明が出来ない。磁束が近い程太い線に成ると言う訳でもないから、磁束の状態による力の変化を説明できない。磁力が磁気のクーロン力で、解説されているが、それもニュートンの万有引力と同じ『遠隔作用力』の物理学的力の概念を踏襲したものである。磁気と言う「点磁極」の仮定そのものが磁場概念の div B = 0 を否定した解釈である。点磁極の存在はN、S極が単独に存在するという『モノポール』の説に従うものである。広い磁極面の間の電磁力に、そんなクーロン力で解釈することが許される訳は無い。右上に示した電磁力の解釈は空間エネルギーの回転流に基づく『近接作用力』である。エネルギーとエネルギーの流れる間の分布流の絡み合いで力が生じると解釈するものである。決して力の原因は、離れた点の『何か』の間に生じる『遠隔作用力』では無いと解釈する。これは、原子構造論にも及ぶ概念である。電荷間のクーロン力と言う『遠隔作用力』をも否定する考え方である。この力の意味をコイルと磁石の間に敷衍してみよう。S磁極にコイルを近付けたとする。コイルは磁気エネルギーの流れの影響を受ける事を拒否する。即ち反発力を産む。反発に逆らって近付ければ、如何にもコイルに電流が流れる如くに、エネルギー間の逆流の反発力を産む。しかし、コイル内のエネルギーの消費と共に、コイル周りも磁石のS極のエネルギー流の中に入ると考える。次にそこから、コイルを引き離そうとすれば、今度は今までと逆に、コイル周りに在るエネルギー流の減少を拒むべく、引き離す力に逆らう吸引力を生み出すと解釈する。

エネルギー流から見る変圧器の機能 磁束と言う概念の矛盾から、その否定を論じてきた。それでは変圧器の動作原理・動作機能をどのように解釈すべきが問われる。どのような物理学理論の根拠概念であろうと、矛盾が排除できない限りは、その概念に正当性は認められない。最後に残り、否定できない根拠概念は『エネルギー』そのものである。上に解釈を示したように、磁場とはその空間に実在するエネルギーの回転流であると言う以外真理には到達できない。従って、変圧器もそのエネルギー流に基づく動作機能を利用した電力技術機器と解釈しなければならない。その考え方を解説する為の説明概念図を⑤に示す。鉄心である『磁心』に絶縁物を介して、2次コイルを巻き、その上に1次コイルを巻く。その磁心断面図が(ロ)である。この断面図を見て、磁束を否定、棄却したら、磁心の機能をどのようなものと理解すれば良いかが『問答』の要点になる。ここには載せてないが、マグネット面の磁場模様を砂鉄で観察すれば、磁場は一様ではないと見なければならない。参考:磁界・磁気概念の本質に磁場論。また、「磁力密度 f=rot(S/v) 」日本物理学会講演概要集第63巻1号2分冊p.310 (2008.3.25) で式の解説も示した。磁場で、重要な認識はマグネット間のギャップを狭めるにつれ、その磁場強度は磁石の周辺部だけに集中的に強まる事である。(2019/04/15)追記。以下の#~# の部分については少し訂正する。鉄心(磁心)部の中心部には磁気エネルギーの影響がないだろうという解釈は間違っていた。鉄心断面積が設計上重要な意味を持つ訳は、そこにエネルギーが入り込むからと解釈すべきである。1次巻線の電圧時間積分としての電源電圧保持機能は鉄心中心部までの軸エネルギー流の入射余裕が鉄心の断面積を要求するからと解釈する。しかし鉄心内に磁極のNSが生じるという訳ではなかろう。鉄心磁区毎に隣同士で極性が交互に入れ替わると考える。だからファラディーの法則のような磁束の意味は当たらないだろう。エネルギーの貯蔵機能として鉄心が重要な意味を持っている。だから鉄心断面積が重要になる。 #マグネットの中心部での磁界・磁場は、砂鉄模様から判断するに、殆ど意味を成さないと解釈する。その事が変圧器の『磁心』の動作機能を解釈するに重要と観る。磁心の中心部は変圧器動作に於いて、コイル近傍の磁心表面でのエネルギー流に対する電磁現象が、その本質を秘めていると解釈する。交流電圧積分から考えて、鉄心材料の磁気特性で、磁心中心部までエネルギーが到達して、出入りする程周波数応答に優れた対応ができるとは考え難い。この点は、実験データなしで論ずる事に科学論で無いと言われることは承知している。しかし、エネルギー流の挙動特性と言う面から解釈すれば、そう看做さざるを得ない。現在の解釈では、磁心が1次コイルからのエネルギー入力を絶縁体の空間を通して、2次コイルへのエネルギーの橋渡しに重要な意味を持っている訳だから、その反射体としての役割を果たしているのであろうと結論付けている。#どのような詳細な機能を発揮しているかは、巧い実験を通して結果を得るより方法が無い。実験をするだけの経済的、社会的環境の得られない私がそれ以上論じる事は無理である。

(2016/10/27)追記。上に巧い実験方法がないと言ったが、巧い方法があった。変圧器の奇想天外診断を思い付いた。その実験により電線路を含めて、導体内を『電荷』あるいは『電子』が流れているのでなく、導体の近傍空間に『エネルギー』が分布し、それが電線路電圧の意味であり、物理現象であることを示す結果を得た。天晴れ(コイルと電圧とエネルギー)にデータをまとめた。