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サヨウナラ『電荷』

(2019/11/27)追記。実験的検証法の電圧測定について。電圧の測定に普通の電圧計では巧くゆかない。一般に測定は必ず測定対象からエネルギーを取り込む。どのようにエネルギー量を失わずに測定するかの技術的工夫が必要だ。静電容量の小さいコンデンサで、電圧値が低ければ、実験の精度は得難いかも知れない。測定器の入力インピーダンスの大きなものが欲しい。あるいは減衰特性の写真判定など。電圧測定について一言ご注意申し上げたい。

電気理論の根幹をなす概念は『電荷』である。また電力技術・工学では『エネルギー』が根幹をなす概念でもある。『電荷保存則』と『エネルギー保存則』がともに重要な基礎をなしている。電池電圧や分布定数回路現象を最近考えた。急に気付いたことがある。やはり『電荷保存則』は論理的に矛盾している。コンデンサとエネルギーと電荷 (2017/08/31) で満足に答えられなかった問題があった。高校生からの質問のようだった。電池と電圧(エネルギーの基礎研究) (2019/11/13) に答えが出ていた。

実験的検証法

回路はいたって簡単である。コンデンサが電圧V0に充電されている。同じコンデンサをスイッチでつなぐ。電圧は幾らになるか?結果は図のように、『エネルギー保存則』に従った電圧になる。だだ、スイッチオンでの追加コンデンサの充電時に突入電流(電流ではなくエネルギーの突入ではあるが)で、エネルギー消散が起きる分の誤差はあろう。小さなコイルでの突入制限を抑える方法はあろう。兎に角、『電荷保存則』は否定され、『エネルギー保存則』に軍配が上がる筈だ。実験確認が可能と考える。以上急な思い付きの報告。

 

電池(エネルギー)の不思議

乾電池 1.5V の謎。電池の『エネルギー』とは何か?

乾電池なしには生活できない程使っている。電圧―物理学解剖論― (2011/12/14) が電池について疑問を呈した最初の記事だ。その後、電圧とは何か?電流とは何か?などと、電気の基礎概念に疑問を呈し、電気回路現象の物理的原理は何かと自己問答を繰り返してきた。現在の電池の基本的認識は従来の教科書での解釈理論(電子論)は筆者にとっては全く本源的には無意味な論理となってしまった。どんな電気回路も、その本質的動作原理はすべて、電線路導体で囲まれた線路空間を光速度で伝送する空間エネルギーの現象であると分かった。電流や電圧は優れた科学技術概念で、長い伝統を通して培われた技術文明の賜物である。その優れた英知にはどれほど感謝しても、感謝し足りない思いだ。しかし、自然現象の本質をその技術の中に求めると、それは不可能なことを知ることに辿り着く。自然の本源は極めて単純、純粋であるが故に、人が理解しえない程千変万化の多様性の姿を現すものと知る。結局最初の疑問、乾電池の電圧は何故1.5Vか?に説明が付かないまま、今だにその不思議が解けない。人が創り上げた科学技術の持つ謎(電池)がその心を読み解く為の自然の宝物のよう思える。

電池の原理(専門家の電子解釈論について)。

電池の原理を検索すれば、多くの解説がされている。すべて電池の専門的知識や経験を持った技術者か教育者の解説と思う。しかし、筆者は電池について特別の技術も経験もないが、その解説の内容が理解できない。納得できない。電池の専門家ではないが、電気回路現象に関しては深く思索を積んできた経験を基に、その理解できない訳を解説しようと思う。このまま意味不明の解説が社会に通用している現状を放置して良い訳がない。

電池の種類は多い。マンガン乾電池(1.5Vの単1~単4)、アルカリ電池(1.5V、9V)、ボタン電池、リチュウム電池(二次電池)、燃料電池、太陽電池あるいは鉛蓄電池など。それ等のすべての動作原理の解説は、電子をマイナス電極から外部の負荷を通してプラス電極に流す仕組みで解説されている。こんな解説がまかり通る科学論の社会でよいのか。電子が通ると何故エネルギーが使われる事になるかの一番大切な意味が示されていない。電子は電池のエネルギーをどのように負荷に供給すると考えるのか。どこにも科学論が見えない。『電子』がどのようなものかを誰も考えていないとしか思えない。電池における電子の役割を問う (2018/05/24)

電池の原理(電子否定とエネルギー貯蔵源)。

決して電子が電池のマイナス極側から負荷を通ってプラス極電極に戻る電気現象は存在しない。電線導体の中を電子が流れる物理現象はない。いくら解説に便利な伝統理論だからと言っても、質量と電荷の構成粒子であるという電子を理論に乗せようとしてもそこには矛盾に堪えない欠陥がある。自然界には『電荷』など実在しないから。『電荷』の実在を唱えるなら、そのプラスとマイナスの電荷の空間像の違いを説明できなければならない。電池に求められる解釈理論は『エネルギー』と言う物理的実在量の認識に掛かっている。その『エネルギー』が電池内部のどこにどのような形で貯えられているかを解き明かすことである。電池内部に電子(イオン)などのプラスとマイナスの『電荷』が貯えられている訳では決してない。電池内部にプラスとマイナスの電荷が貯えられているなら、わざわざ逆2乗則に反して、負荷抵抗の離れた外部を通って電子がプラス極に戻る理屈が成り立たない。電池内部で『電荷』を分離した化学物質を組み合わせても、クーロン力と言う理論力で、即ち逆2乗則の距離により中和して電池の役目が果たせない筈だ。しかしそのクーロン力自体が論理的に矛盾論である。 クーロンの法則を斬る (2013/01/06)で電荷に基づく力学の矛盾を論じた。結局現代物理学理論で、『エネルギー』の認識が曖昧であるところにその根本的原因がある。もし『電子』を空間に仮想したとき、その周りの空間の『エネルギー』をどのように考えるのか?どこまでその電界エネルギー分布、空間エネルギーのジュール量[J]を想定するのか?その答えを述べてほしい。空間に対する『電荷』とは何か?その易しい物理的理屈の通る科学論でなければならない。

『エネルギー』による電池の描像。

 

電池とは、簡単に表現すればエネルギー貯蔵庫である。電子も電荷も不要だ。ただ『エネルギー』だけで解釈した描像を示す。易しいという事はとても難しい事でもある。禅問答のようで恐縮であるが、単純明快とはそうだと考える。豆電球一つを取り上げて、その物理的現象を解説することが如何に困難であるかを知ってほしい。高が抵抗の電力消費の話でしかない。しかしその中の物理現象が明確に理解できるかと言えばとても複雑である。要するに電池の負極側から導線近傍を伝わってほぼ光速度で伝送される電池の『エネルギー』が豆電球の中のフィラメントと言う真空内の抵抗体に入射し、抵抗体の物理的構造内で冷たい伝送電気エネルギーが高エネルギー密度に貯蔵され、熱化によって光放射現象となる。抵抗体の分子構造がそのエネルギー変換の物理的動作機能を握っているのである。空間的には静電容量とインダクタンスの組み合わせによる現象である。特別難しい原理ではない筈だが、抵抗一つでもその解釈には自然の深い意味が隠されているのだ。揚羽蝶の羽の光変換作用と同じく、その空間構造が成すエネルギー変換作用とみれば基本的には同じ意味を含んでいると考えられる。なお、電圧の正側である導線にはエネルギー流はないことを付け加えておく。当然「電子」が戻るなどと言う現象はない。ただ電池から『エネルギー』が負側電線近傍を伝送されるだけで、正側はその伝送空間を決める基準線の役目しかない。ただプラス側に電流計を挿入すれば、電流が測れる訳は何故かとご質問が出よう。電流計もその内部構造は回路の挿入された一つの抵抗素子と同じ電気機能である。その抵抗体にも電池『エネルギー』が入射するから、その電圧降下と言う量を計るのである。

電池の物理・化学的課題。

『電荷』概念から離れて観て欲しい。化学物質、二酸化マンガンとは何か。負極の亜鉛の役割は何か。それらはすべて『エネルギー』に因って解釈し直さなければならない時にある。物質の接合面に生じる『エネルギーギャップ』の問題として考えるべきである。ダイオードのスイッチングにおける『エネルギーギャップ』の問題と通じないかと考える。

謎(pn接合は何故エネルギーギャップ空間か) (2017/05/18)

電池電圧と『エネルギーギャップ』 (2016/05/08)

大学と基礎研究

はじめに

大学の研究は如何にあるべきか。基礎研究とは本来経済的利益を目指すものばかりではない筈だ。経済的競争に有効に働く結果に結びつくこともあろう。失敗の連続で終わり、有効な結果を得られなくても、失敗の訳を明らかにできれば、それも立派な基礎研究だ。新しい視点で研究をするため、常に疑問や不思議を感じ取る感性を磨いていることが研究者には求められよう。忙しさに紛れて、研究ができないこともあろう。しかし研究の芽は、道を歩いていても、ボーと空を眺めて居ても、突然閃くものでもあろう。それは日ごろ考えていることの証でもある結果として生まれるものであろう。今でも不思議に思えることがある。以前「参照基準の何々」という教育の指針の報告があった。本当にそれが教育者が参照にして教育をするというのだろうか。「過去の伝統を守って云々」とはいったい基礎研究をどのように理解しているのだろうかと疑わざるを得ない。『電荷』とはどの様な物理的実在か?と疑問にも思わないのだろうか。電流とは電子の逆流と言って納得しているのだろうか。今年になって、分布定数回路を取り上げ、自分と問答をした結果、疑問への答えの一部を得た。教科書の中身であれば、何も経済競争に役立つものとは言えないであろう。科研の競争に挑むようなテーマでもなかろう。そんな地道な研究こそ、企業では投資の対象としないから、大学で取り組むべき重要な基礎研究であるはずだ。高度な最先端の研究においても、理屈に合わない結果に悩むこともある筈で、その時に電荷に縛られては、折角の研究をも捨ててしまう危険がある。そのような場面で役立つ筈の研究課題ならいくらでもある筈だ。電荷を否定すれば、『イオン』とは何か?も大きな意味を持っているはずだ。今回も一つの電気回路の思考実験として課題を取り上げて提示したい。

電源は何故負荷状態を知りうるか。(まだ確たる結論に到達できていない。問答の「問」だけである。)

決して電流概念では解答を得られない問題である。50Hzの2線式の送電線路があると仮定する。その亘長を1500㎞とする。その亘長は正弦波波長のちょうど4分の1で、位相角90度分に相当する。電源電圧値が立ち上がりの丁度零の時、負荷端の電圧値は幾らでしょうか。その時の電圧値はちょうど負の最大値になっているはずです。電源電圧と負荷端電圧が同じくない訳である。これはオームの法則で解釈できない電気回路状態である。これも電気回路現象である。所謂分布定数回路として考えるべき問題となる。こんな問題も教育としては重要な基礎理論の問題なのである。実際は正弦波交流でなくても、直流送電であっても交流と変わりない同じ原理による基礎理論(それが未だ教科書にはない新しい認識)で解釈しなければならない現象なのである。こんな日常的な思考問題も、経済競争に何の役立つように見えなくても教育上は極めて重要な基礎研究の筈だ。電源と負荷端の電流は同じ値にはならないことがお分かりと思う。電力、電気エネルギーを供給する電源では負荷に応じて制御しなければならない。どのような制御対象の電気量・負荷状態を検知するのだろうか。実際の電力系統制御は問題なく現実に有効に成されている。何も問題は無かろう。しかし、その基礎理論が技術理論で、短距離の問題としては不都合は無かろうが、自然現象の本質を捉えていないと、教育上は誤ったことになる。電子が導線金属内を流れるなどの誤りになる。この教育上の問題は科学技術教育と自然現象の理科教育で、その取り組み方を明確に区別したものとしなければならない課題となる。電気物理現象としては、線路空間を伝送されるエネルギーの光速度伝播現象しかない。電源での制御対象は電圧値と周波数しかない。電流は監視量ではあっても制御対象にはならない。供給エネルギーが負荷の要求するエネルギーに対して不足すれば、発電機の回転数が低下し、周波数や電圧が下がる。電圧、周波数を一定に保つため、供給燃料や供給動力を制御する。制御するものは『エネルギー量』一つである。

図1.電圧(エネルギー)の分布と伝播

電線路が長くなると、電圧も時間遅れを伴って、線路に沿って分布する。電源電圧vsに対して、位置 l ではγl[s]だけ遅れた波形となる。この意味は電線路が短いか長いかには関係なく、基本的に起きている現象である。そこに、電流がどのように流れるものかという問答が含まれていることでもある。電線に電流が流れるのか?という物理現象を問うことでもある。すべての電気現象の本質は空間を伝播するエネルギーの流れに基づく現象である。3kmの配電線路で、その送受電端間には裸電線でも、 10[μs] の時間遅れがある。電気物理としての現象は電源と負荷で同じ電流になるという理屈は成り立たないのだ。だから電源では負荷状態を如何なる訳で知りうるかとなる。このような考究は決して経済的競争の利益を伴うものではない。だからこそ大学での基礎研究として取り組まなければならないであろう。

電源と負荷間のエネルギー伝播・反射現象。

電気エネルギーは電線路空間を光速度で伝送される。電源は電圧と周波数を監視制御する。電圧は線路定数の静電容量C[F/m]によって、その伝送エネルギー流の線路長さ当たりの密度[J/m]は決まる。そこに光速度流によるエネルギーの往復・反射現象が隠れているのである。ここに辿り着くまでに電圧―その意味と正体―などで電圧の物理的真相を探った過程がある。電気回路の現象は電線路の特性インピーダンスと言う線路固有の定数が空間伝播エネルギー量を決め、電源は反復反射によるエネルギー分布の電圧を規定値になるべく制御するだけである。

負荷端エネルギー反射現象。

エネルギー反射はどのような仕組みで起こるか。電線路がC[F/m]と L[H/m]の間での繰り返しによってエネルギーが伝送されて負荷端に到達する。負荷が持つ電気的構造による特性値と電線路との特性値との間の伝送エネルギーの挙動が決まった或る関係によって引き起こされる筈だ。そこで例えば負荷抵抗の物理的構造特性をどのように解釈するかに掛かってこよう。抵抗の次元は[(H/F)^1/2^]=[Ω]で、基本的には抵抗内部構造も静電容量[F/m]と誘導容量[H/m]の組み合わせと見做さなければならない。これは予測としてのこれからの考察によって決まる内容ではある。抵抗値が大きいか小さいかはLとCの比率と見做せる可能性がある。それは科学的検証が得られる結果になれば、成功となる。『エネルギーの物理的特性』としての解明の課題と思う。大学の基礎研究として。それほど経費は要しない筈だ。

むすび

しばらく考えてみた。しかし負荷の純抵抗の意味さえまだその物理的特性を捉えきれない。止むなくこのまま未解決の基礎研究課題として筆を置く。抵抗と言う電気材料がエネルギーをどのような機能によって熱化し、さらに光として放射するか。そのエネルギー変換機能の物理的解明が課題である。本当の基礎とは難しいものと認識した。

電荷と電圧の哲学

科学哲学という分野がある。前からその意味がはっきり捉えられないでいた。科学と哲学はそれなりの異なる対象を考える学問分野に思える。科学は自然の世界を対象とし、物理学や科学技術論になるのだろう。哲学は人生の意義や神の存在など明確な結論を示し得ないような深い混沌とした内容を対象にした学問分野のように思える。その中で、科学哲学と言うとやはり科学論の中身をかみ砕いて、その意味や概念の論理性、論理的矛盾など論じる分野のように思う。

哲学者の科学論 哲学者は科学論や科学概念に疑問を抱いても、その内容に深く切り込むには具体的に論理を展開するにはなかなか困難であろう。科学論に広く精通していることが欠かせないから。

科学者の哲学 一方科学者は、その理論、基礎概念に対して矛盾は唱えにくい。広い分野の中で、自分の専門に異を唱えることは自分の存在を否定する危険があり、その分野での生活権を失うことになる。また他の分野の事に異を唱えるべき必然性は何もないし、社会的摩擦を被る危険がある異論をわざわざ唱えるのは慎むため、哲学にはなりにくいだろう。

科学論の伝統と哲学 何百年に亘り築いてきた積み重ねの基礎概念と理論、法則はほとんど哲学的検証の対象にはなりにくい。そのため科学理論の伝統的思考形式は強固に守られ、哲学的検証の対象にはなりにくい。その意味を電子で考えてみよう。

電子像 電子像とその概念は科学理論の根幹をなす基礎の岩盤となっている。

電子 Wikipedia によると次のような詳細な数値で定義されている。

負の電荷 e=-1.602176634×10^-19 [C]

静止質量 m=9.1093837015×10^-31 [kg]

原子物理学の原子構造も電子が欠かせない主役になって理論づけされている。エレクトロニクス全盛期の科学技術社会である。その中に、上に示したような電子の物理量の定義が示されれば、それ程精密な桁数の数値に対して、異論など誰も唱えようがない。その定義過程を知り得ないから。10桁の数値がどれ程の信ぴょう性を持つというのだろうか。その結果科学理論は哲学的な検討課題にはなり難く、その古い伝統は強固に守られる。そこに科学論、基礎概念の社会的安全圏が確立する。専門領域と言う踏み込めない壁の構築に寄与する新しい理論が幾重にも複雑化して、それに依って保証される業界が完成する。その一つに電子像の10桁がある意味証拠となろう。

『電荷』とその概念否定。

1987年4月、『静電界は磁界を伴う』の発表で科学冒険が始まった。それは自分が研究の拠り所とした科学技術概念を切り捨てる危険な道であったと今に知った。ただ『電荷』は実在しないという確信だけが頼りであった。どんな世界かを考えるゆとりもなく翻弄される無知の道だった。静電界は静止電荷の周辺に生じる電気的ストレスの状態を意味する。そのストレスは静的な状態の事を言う。電気理論によれば、磁界は電荷が運動する事で起きる電流によって発生するその近傍空間の磁気的ストレスを評価する技術概念である。電気理論によれば、移動しない電荷の周辺空間には決して磁界は発生しない筈である。その『電荷』が静止している空間に電界は発生しても、発生しない筈の磁界が存在すれば、電気理論の論説とは相容れない現象となる。電気理論の根幹をなす『電荷』概念の否定を、電気技術感覚からの予測に基づいて証明した実験結果である。既に32年前の事である。『電荷』の存在を否定することは、科学理論のほとんどを否定するに等しい。それは同時に、電子の存在を否定することでもある。それは、上のWikipediaの電子概念を否定することになる。それはもう科学論の範疇を超えて、いわゆる哲学の内容となると考える。イオンとは何か?の哲学論にもなる。決して科学的実験での証明はできない領域である。電子の発見は1897年、J.J.Thomson が陰極線として発見したことで始まった概念と思う。放電管の陰極側から放射される何かがあると確認される。それがエネルギーの流れとみれば、説明がつくと考える。その陰極線のビームがプラスの電極に流れ込んで電源まで戻るとは考え難い。放電管内の放電現象として、エネルギーが光などの放射現象で消散すると考える。

電荷とエネルギーと電圧。

電線路間には電圧がある。確かに電圧計で電圧値を計測できる。しかし電圧計で計測している意味は決して電荷量を測定している訳ではない。

電圧の負電圧は意味があるか?突然脳の片隅に浮かぶ。考えれば分からない。自己問答の始まりだ。今まで意識にもなかった疑問だ。

電圧波形を描けば、時間軸に対して正と負に振れた波形となる。当たり前の伝統的電気現象解釈法だ。電線路は何を伝送する設備だろうか。電気回路では電圧と電流及びその波形で回路現象を理解する。電気概念には様々な技術量がある。しかし、電線路で伝送しているのは結局『エネルギー』だけである。電圧でも電流でもない。『エネルギー』は電圧・電流とエネルギーと時空で電圧の2乗にその意味が隠されていると分かった。そこに、分布定数回路の中に繰り広げられるエネルギー伝送現象を考えれば、電気回路は『エネルギー』一つの伝送空間であると言える。『エネルギー』の流れる現象を電圧・電流の技術概念量で解釈している訳である。そこで、何故電圧は正と負で波形を表現するのか?という疑問が沸いた。電線路に『電荷』が分布している訳では決してない。伝送される『エネルギー』の流れる方向を電圧の正や負で表す訳ではない。基本的には電源から負荷に向って、同じ方向に流れている「エネルギー」を電圧の正、負で描く意味はない筈だ。電圧の正と負は何を表現するものか。『エネルギー量』を観測できれば良いのだが、それは不可能なのである。現実に世界に存在している『エネルギー』のその姿を観測する術がないのだ。電圧はエネルギーの空間静電容量に蓄えられた電線路単位長さ当たりの量の平方根を評価した概念と解釈できる。即ち Cv^2^ [J/m](最近2分の1の係数は意味が有るのか?とわざわざ書くのを控えている。) のエネルギーが電線路の静電容量 C[F/m] に分布している意味を電圧 v[V] で評価するのが技術の優れた現代科学技術文明と言えよう。その時、電圧の負に意味があるかと問答になる。それが哲学であろう。科学概念の自然現象の中でその真の姿を解き明かすのが本当は理論物理学の役割と考える。しかし、物理学理論は電圧、電流の科学技術概念をそのまま自然界の姿の真理と捉えているようで、信用できない。だから物理学理論では、自然の真理を深く考究している学問分野と言えるかという疑問を抱かざるを得ない。そこに、哲学あるいは科学哲学という意味が必要になってくるものと考える。

問答の答え。答えに辿り着けば、問答の価値があったのかと笑いたくもなる。

『エネルギー流』の極性が電圧の極性である。電線路の伝送エネルギーの流れる空間は電圧極性によってその負側を流れる。電線路の空間の中央を流れるのではない。負の極性側の電線路導体の近傍空間(絶縁体導線なら、その絶縁体内の空間に比重が係ろう)を流れるのだ。その意味は、32年前には不確かさとして決めかねて来た疑念であった。マグネットやコンパスの磁極近傍空間の空間エネルギーの軸流の方向を確信するまでの長い問答があった。ロゴウスキー電極内のエネルギー流の模様の確定に長い時間を要した。地磁気の物理概念もすべて統一した解釈に到達できた。それもコンパスの磁極近傍空間の軸性エネルギー流が確信できたからである。その事と今回の分布定数回路空間のエネルギー流との関係を整合しただけの事で答えになった。磁界・磁気概念の本質に磁場空間の電磁場の意味をエネルギー流として解釈して示した。

エネルギーに静止はない。

光の空間エネルギーのように、光速度が標準的と見做せよう。エネルギーが静止したときは質量になった時。地球座標での位置エネルギーは質量に付帯したエネルギーであり、定義では静止のごとく見えるが、地球が回転している限り静止ではない。分布定数回路におけるエネルギー伝送現象で、受電端でのエネルギー反射は基本的には必ず生じる。特性インピーダンスとの負荷整合でなければ。伝播定数に従ったエネルギー往復振動現象が基本的である。そのエネルギー線路分布が線路電圧の意味である。その電圧制御を電源が基本的に採る。電源は負荷からの反射エネルギーを総合的に監視していることになる。<問答>負荷と特性インピーダンスの関係がエネルギー反射現象を決めると解釈するが、その詳細は今後の問題だ。大学と基礎研究  記事で考察中。

これが電気回路の実相だ

はじめに 電気技術概念、その代表が電圧と電流だ。その本当の意味はすべてエネルギーの姿を利用しやすい観測量として評価するものであった。エネルギーが電線導体の中を流れることはない。すべて電線で囲まれた空間を流れるのだ。基本的にはほとんど光と同じ光速度、毎秒30万キロメートルの考えられない速度で伝送されている。電気回路理論では電線路をエネルギーが流れるという解釈は一般的に採られない。それはエネルギーが空間内に実在している物理量という意識がないからであろう。エネルギーその物を計ることもできないし、目で見ることもできないから意識化が困難な事にその原因があるのだろう。太陽の光を浴びて、暑くてもそのエネルギー量を計れない。光を見ても、そのエネルギーが流れていること感覚的に捉えにくい。決して光は振動などしていないことを実験的に検証できない。光の科学測定は振動数の姿でしか測定値として捉えられないから。光の空間を伝播するエネルギー分布波など測定・観測できないから。電気回路を伝送するエネルギーも光と同じ空間分布波である。

特性インピーダンスと伝播定数。 電気回路は電線と回路要素のインダクタンス、コンデンサそして抵抗の3つでほとんど構成されているとみてよかろう。モーターもそれらの要素に等価的に分解して解釈できる。それらの要素がエネルギー(このエネルギーという意味を空間分布波として認識しなければ意味が通じない)に対して、それぞれ異なる機能を発揮するから、電気回路現象を理解するには技術的学習が必要になる。その技術習得に欠かせないのが、電圧や電流あるいは電力の概念である。しかし、電気回路の実相はもっと単純なのである。電気回路のインピーダンスや虚数軸のベクトル手法などによる専門的知識によって、単純な電気現象の実相が見えなくなるようでもある。ベクトル解析などと抽象的な解釈法を専門的共通理解の手段として学習すると、とても便利に理解しやすくなり、専門家集団内の共通コミュニケーションに欠かせないものとなる。そこには物理学理論としての電圧・電流概念が確固たる強固な物理的基盤として支えてもいる背景もあるから。しかし、電気現象も光や電波と同じエネルギーの空間伝播現象でしかないという本質を先ず捉えることが必要なのだ。そこに大事な電気回路現象の理解の要として、特性インピーダンスと伝播定数がある。街には配電線が電柱で支えられて配線されている。電気エネルギーを供給するためである。高電圧6600ボルトのピン碍子配線、変圧器を介した低電圧200・100ボルトの絶縁ケーブル配線がある。それは空間を伝送されるスマホの信号エネルギーと同じ電線導体の間の空間を伝送される電気エネルギーの伝送設備なのである。専門的技術理論が分からなくても、単に電線路空間を構成して、その空間を通してエネルギーを光速度で送っているだけなのである。その基本の単純な自然現象の利用技術が電気工学や電力技術として熟練を要する専門的な理論となっているのである。誰しもが基本となる自然現象の単純な意味を先ず理解してほしい。電線導体の中を電子が流れている等という、如何にも専門家らしい言説に惑わされないでほしい。決して電線導体の中を電子など通れないのだ。この世界に、負の電荷を持った電子など存在しないのだ。教科書が真実などと言うことではないことも知らなければならないのだ。自然は深くて単純なのだと。

電線路の実相

電気回路の真実を知りたい方のために少し解説したい。技術と自然の架け橋の要点を。

空間の電気特性 目の前の空間が持つ科学技術的解釈に誘電率と透磁率という概念がある。空間がインダクタンスとコンデンサから成り立っているという解釈である。携帯電話を使えば、電線が無くても通信ができる。空間が電波信号(これがエネルギーの空間分布波なのだ)の伝送路だからだ。図に透磁率μo[H/m]と誘電率εo[F/m]の値と空間の持つ特性インピーダンスZo[Ω]および電気信号の伝送速度の逆数で伝播定数γ[s/m]を示した。光速度coもその定数から決まる。透磁率が4πという立体空間角度に関係した値で定義されて、うまく統合されている訳は誠に不思議に思える。余りにも良くできているから不思議だ。それは空間の長さ1メートルあたりにインダクタンス[H/m]がある。同じくコンデンサのキャパシタンス[F/m]がある。空間にコイルやコンデンサがある訳はないのに、そのように解釈して初めてエネルギー伝播現象の姿を納得して理解できる。その捉え方の妙味が、とても便利であるから不思議なのである。何か禅問答のようだ。

右に裸電線を張った電気回路の意味と特性を示した。数式には自然対数のln(2D/d)を使って示した。常用対数log(2D/d)に変換するには係数2.3026を掛ける。一般的には絶縁電線が使われるが、基本的な特性は裸電線の空間構造によって決まると考える。絶縁電線は電気エネルギーの流れる伝播空間が電線表面の絶縁体部を流れるため、エネルギーの流れる速度が比誘電率の値で遅くなる。1メートルの長さをエネルギーが伝播する時間が伝播特性で、比誘電率εsのため√εs倍だけ長くなる。裸電線の場合は、空間の光の速度と同じことになる。線路の特性インピーダンスの機能はその値が同じであれば、エネルギーの流れが電源電圧のエネルギー分布に従って反射などの阻害要因がなく伝送されることを示す。その現象は特に超高周波回路に現れる。分布定数回路と実験に例がある。

むすび

空間の光エネルギーの伝播現象を科学技術概念、空間定数(透磁率、誘電率)と結びつけて、その捉え方を電気回路の伝播現象と統一的にまとめた。30数年前に、拠り所の電流概念を棄却して闇の世界の中をさまよいながら、プランク定数の次元と実在概念 日本物理学会講演概要集 第56巻第1分冊2号、p.338. (2001) の光エネルギー分布波の捉え方から、空間エネルギー分布の解釈にたどり着いた。光とは何か?-光量子像‐にまとめた。今50数年前の、分布定数実習に対する一考察 (新潟県工業教育紀要第3号、1962)の分布定数回路の実験結果が貴重な資料となり、この記事の基にもなった。新潟県教育委員会に正式採用もされていなかった中で、アルバイトのような身分の分際で研究するなど誠に御迷惑をお掛けしたと恥じている。と卑下してみても、新潟県はこの研究報告を生かす責任があろう。 

 

電流1[A]の物理的空間  (インダクタンス算定式)

電気回路の構成要素はインダクタンスと静電容量そして抵抗である。その中で電流と直接関係するのがインダクタンスである。電線路の特性は特性インピーダンスが握っているといってもよかろう。その特性インピーダンスの算定式には電線路単位長当たりのインダクタンス[H/m]が欠かせない。平行導線路のインダクタンスL[H/m]の算定は電流概念がその拠り所となっている。そのインダクタンスの算定理論における電流1[A]の物理的概念がいかなる意味を持っているかを確認したい。基本的には電流によって、その周りの空間には磁束が発生するという電気理論が前提になっている。

インダクタンスの算定回路空間。

磁束鎖交数φa=LI[Wb] をインダクタンスL[H]と電流I[A]の積で定義する。電流の比例定数がインダクタンスL[H]である。

次元は電流が[(J/H)^1/2^=A]であるから、磁束量あるいは磁束鎖交数の単位[Wb]は次元で、[Wb=H(J/H)^1/2^=(HJ)^1//2^]となる。

さて、インダクタンスL[H]の算定は電流I[A]が流れている導線周りに発生する磁束量の計算によってなされる。図は平行導線路の場合で、導線aとbの往復線路である。まず、算定法では導線1本について計算される(文末の文献 p.93    5.3 インダクタンス 参照)。a導線の電流I[A]によってa導線の周りに発生する磁束を計算する。図1.に電線路単位長当たりのa導線の自己インダクタンスが示されている。その第1項の2分の1は導線内部電流による磁束計算量である。しかし実際は導線内部に電流など流れていない訳であるから、少なくともその項は無意味と考える。第2項は導線半径rと線路離隔距離Dによる自然対数である。その計算結果の訳は次の示す。

a導線からxの位置に、その電流I[A]によって生じる磁束は、その磁界Hx=I/2πx[A/m]にその空間の透磁率μo=4π×10^-7^[H/m]を掛けて、磁束密度Bx=μo×Hx[Wb/㎡]と算定される。電線表面rからDまで、単位長さ1[m]当たりの面積1×dx[㎡]で積分すると、 2I∫(1/x)dx 10^-7^[Wb/m] =2I×10^-7^ln(d/r) =LI [(HJ)^1/2^/m=Wb/m]と、自然対数式となる。

上の算定に関する質疑。

  1. b導体の電流は考慮しない。それは何故か?コイルの場合の鎖交磁束は全体の一周電流分で考える。
  2. 磁束は図のΦaのように導体aを周回していると考えるのか?コイルの場合は、コイルの外側には磁束はない筈だから。
  3. もし導体を磁束が周回していると考えるなら、物理学理論では、磁界Hx[A/m]の場には(1/2)μoHx^2^[J/㎥]のエネルギー密度がある筈。理論的には、そのエネルギーが導線の周り全体にある筈だ。しかし、そのエネルギー量はほとんど計算には意味を持たないことになっている。更に、そこに磁束の電流との鎖交数という意味にも特別論理性があるようには見えない。円周の長さ2πx[m]を計算の基に考慮しているが、実際の計算にはrからDまでの積分として周回の意味は特にないようだ。
  4. 電線内部磁束鎖交数による 2分の1は必要ないと考える。

以上の質疑があるが、算定式の第2項は実際の利用で、有効性を示す。さらに、平行2線式電線路の単位長当たりの自己インダクタンスL[H/m]は何故か導線1本当たりで計算する。その訳を次のように解釈した。以下の解釈は削除させていただきました。上の質疑1.のb導体の電流分を平行2線式電線路で考慮しない理由の解釈に、削除した記事が間違っていたかと考えた。

むすび

インダクタンス算定式(電線路単位長さ当たり)

L=0.4605log(2D/d) [mH/km]=0.4605×10^-6^log(2D/d)[H/m]

と得られる。ただし、d=2r であり、自然対数と常用対数の間に ln x =2.3026log x の関係がある。

このインダクタンス値ともう一つの静電容量算定式により、電線路の特性インピーダンスおよび伝播定数が決まる。その特性値により、高周波分布定数回路から、同軸ケーブル(この場合は少し考慮必要)および三相送電線路の特性まですべて統一的に決まる。

電流1[A]の空間の意味をインダクタンス算定式に関する観点から考察した。厳密な意味ではその電流概念の論理性が保証されているとは言い難い面がある。しかし技術的な算定式ではとてもよく実際の応用で適合している。科学技術と自然現象との関係の捉え方には慎重な解釈が必要と考える。

(参考文献) 電気学会大学講座 送電工学(改訂版) 電気学会 15版(昭和49年)

電力 p[J/s] の意味と解析法(1)意味

はじめに

瞬時電力という用語を今までも常用してきた。電力制御の技術理論も確立していると思う。電圧と電流の瞬時値も制御可能であり、電流の偏差値の微細制御さえ可能である※(1)。当然その積としての瞬時電力も制御可能である。電力工学で制御が可能であるにも拘らず、瞬時電力の意味が理解できないとはどういうことかと理解されないかも知れない。筆者自身も自分が何を理解できないと考えるのかを理解するのに困惑した。禅問答のようである。電力の単位[J/s]のエネルギーの時間微分という概念の物理的意味が明確ではない。時間軸上に電圧も電流もその波形が当たり前のように描ける。従ってその積である電力も何の違和感もなく、その波形を描くことができる。そこに科学技術とその基礎になる自然現象の本質との間に横たわる人には気付きにくい不思議な関係があると考える。電流波形が描けるとしても、その物理的意味をどれほど理解しているかという課題が残されているのだ。だから電力の瞬時値の意味が分からないのも当然と言える。それは『エネルギー』の意味が明確でないからであろう。

電力 p[J/s] の物理的意味。

電線路のある点の電力 p[W] はその点の電圧と電流の積で捉える。単位ワット[W] はエネルギージュール[J] の時間 [s] での微分値となっている。エネルギーの時間微分値とはどの様な物理概念と理解すればよいか。瞬時電力 p が電圧 v[V] と電流 i[A] の瞬時値の積であると定義されても、物理的に単位 [V] と [A] の積が [J/s] となるという感覚的に納得できる理解、安堵に至らない。精神的に安心した状態に至らない。要するに腑に落ちないのである。自分の脳の弱さを棚に上げて、[VA]=[W]=[J/s]となる理屈が理解できないと言って悩んだ。それは[V][A]そのものの物理的概念が心で納得していないからであろう。そこに不思議の原点があった。せめて、[V=(J/F)^1/2^][A=(J/H)^1/2]と[VA=(J/F)^1/2^(J/H)^1/2^=J/(HF)^1/2^=J/s]の単位、次元の換算を頼りに考えた。そこから、[J/s]の理解の旅が始まった。

エネルギー[J]の意味を知ること。

電気回路で伝送されるものがエネルギーの空間分布波であるという自然現象の実相を知ること。電圧・電流はそのエネルギー流を評価する科学技術概念であり、自然現象を理解する物理概念と捉えるには少なからず考えなければならないものがある。電気回路のエネルギー流とはどの様なものか。具体例として、負荷容量1[kW]の電気負荷を考える。電源は100ボルトの正弦波交流電圧とする。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上に抵抗負荷の場合を例に、瞬時電力という意味を電圧と電流の積という観点と異なる電源からのエネルギ流-として考えた。結果としては、電圧と電流の積の電力で解釈して矛盾はないという意味になった。ただ、電圧の意味と電力の関係の物理的意味で、具体的な理解ができた。電気回路には線路ロスがあり、それを線路抵抗などで解釈するのが一般的であるが、エネルギー伝送の観点からは少し異なると考える。線路損失は電流によるジュール損というより、空間から放射されるエネルギーの損失と捉えるべきで、電圧位相遅れは伝播定数γにのみ因ると考える。電線路導体を電子が流れる訳でないとなれば、空間のエネルギー流からそのように考えざるを得ない。

瞬時電力p

電源電圧を基準に、負荷端の電圧が線路長l[m] では、γl[s]だけ位相の時間が遅れた電圧となる。負荷電力はその端子電圧の2乗に比例する。電線路の単位長さ 1[m] 当たりの空間に分布するエネルギー量はγp[J/m]となる。

電力

p=dE/dt [(J/m)/(s/m)]=γp[J/m]/γ[s/m] = p [W=J/s]

という意味で、電力を捉える。空間的広さあるいは時間経過に通過するエネルギー量で捉えないと、エネルギーの意味を捉えきれない。

むすび

時間軸上に描きながら、その瞬時電力という用語の物理的意味が理解できなかった。電線路空間にエネルギーが実在するにも拘らず、エネルギー量の時間微分という概念量の捉え方が理解できなかった。上の解釈で、伝播定数γ[s/m]による空間のエネルギー流として納得できた。しかし、何を考えても専門家の皆さんの考え方を否定するあるいは無視するような結論が多く自分に困惑頻り。本当に『流れに竿挿せば流される。流れに逆らえば窮屈だ。』の名言の通り。

参考文献※

ここに挙げた文献は電力工学の分野での過去の研究の成果といえるものだ。特に(1)はスイッチングによる微細電流制御の回路解析を論じた内容だ。しかし、その電流を物理的には実在しないと棄却した。己の専門分野を切り捨てるような、研究のはみ出しの世界を歩いた。『静電界は磁界を伴う』と『電荷』を切り捨てた。ようやく『エネルギー』によって電気現象を解釈できるところに到達できたと思う。文献(2)、(3)は電気回路解析の手法として、インピーダンスでなく、アドミッタンスが有効と考えるに至ったその原点をなす資料である。中でも(2)は特殊な空間モデルを描いて、瞬時虚電力の概念を電磁気学の微分演算子で纏めたものである。次の記事(2)回路解析で、負荷力率との関係をアドミッタンスによって考える参考にする。

(1) 金澤他:電圧型PWM変換器を用いた瞬時無効電力補償装置の動作解析と設計法 電気学会論文誌B、論文61-B 39 (1986.4.)

(2)金澤:561  瞬時ベクトル空間モデルと空間瞬時アドミッタンス 昭和61年電気学会全国大会 (1986.4)

(3)金澤:空間瞬時ベクトル解析法と交直変換器への適用 電気学会 電力技術研究会 資料番号 PE-86-39 (1986.08.04)

空間定数とエネルギー伝播現象

空間とエネルギ-伝播現象の関係を図にまとめてみました。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

エネルギー伝播特性 光を含めすべてのエネルギーの伝播現象がその空間定数、透磁率μ[H/m]、誘電率ε[F/m]によって決まると考えてまとめた。細かな点では違いもあるかも知れないが,エネルギー流という物理的実体の流れを総合的に捉えれば、その伝播現象の基本的姿は図のようになろう。特に電気回路の具体的現象を考えると、回路が電線路導体で囲まれた空間内を流れるエネルギー流の現象と見えてくる。長距離送電線路の伝送方程式では、回路定数による分布定数回路としての捉え方が基本となっている。その中に特性インピーダンスZ=√(L/C)[Ω]と伝搬定数γ=ω√(LC) [rad/m] がある。この中で、伝搬定数にはω[rad/s] という角周波数が含まれている。それは定数に入れるべきでないと考え、伝播定数としてγ[s/m]の速度の逆数を定数にした。電気回路のエネルギー伝送現象を考えるにはこの伝播定数の方が分かりやすいと思う。それはエネルギー伝送現象について光エネルギーと速度と時空で、電力p[J/s]の意味と解析法の記事で明らかにした。この電気回路定数との関係を述べた。

むすび 科学技術はその広範な分野に分かれて、それぞれ独自な理論を構築しているように思える。そのため各分野を統合して考察する機会が失われているように思う。未来の科学には生活感覚から観る市民の理解できる易しい解釈・解説が求められる。そこに全体を統合した捉え方をするには、ますます科学全体に共通した矛盾の無い少数の基礎概念の提示が求められるはずだ。その市民科学への寄り添いに科学者の努力と責任が求められよう。そんな意味を込めて、真空空間の空間定数による光エネルギー伝播特性を基準にした、すべてに共通した捉え方の一端を提示した。光と電気エネルギーは同じ空間エネルギー分布波の伝播現象だという意味を。スマホの通信も電気回路も同じエネルギーの伝播現象であることを。

 

『エネルギー』それが世界の根源

エネルギー

それは目の前の空間に実在する。

それは身の回りを囲んでいる。

しかし、決して見ることはできない。

現代科学技術でも捉えられない。

風もエネルギーの流れだ。光もエネルギーの流れだ。

しかし。そのエネルギーを人は決して観測できない。

原子もエネルギーによって構成されている。

しかしそのエネルギーを捉えることはできない。

電気もエネルギーの流れだ。

そのエネルギーを見ることもできない。

『電荷』否定の旅に出て、今思う。

見えない世界に深入りしたのか。

旅の終わりに観えるもの。

それは、見えないもの それが大事。                  (2019/09/05)

『静電界は磁界を伴う』を基点として、当てもない「電荷」否定の旅に出て、辿り着いた世界に観えるもの。それは物理量でありながら、物理量として観測できない。これぞジレンマと言うのか。

光エネルギーと速度と時空

光の速度は何故決まる?

光は空間のエネルギー分布密度波の縦波である。その速度が何故、秒速30万キロメートルなのか?それも『疑問』の宝物。空間には空間定数という真空透磁率と真空誘電率の二つが定義されている。

単位系・JHFM自然系 も光と空間定数の関係から導き出したものである。光速度 c[m/s] は

c=(μo εo)^-1/2^ [m/s]

と真空透磁率μo[H/m]と真空誘電率εo[F/m]の空間定数との関係で捉えられる。そこに時間の次元秒[s]とヘンリー[H]とファラッド[F]の関係が生まれる。[(HF)^1/2^] = [s] と関係付けられる。その訳が理解できた。

人はモノの速度を目で追うことで感覚的に理解する。それが視覚感覚の機能でもあるのだろう。同じ現象でも、1[m] を通過する時間何[s]という捉え方はしない。しない訳ではない。100mの競争で10秒切るかどうかが注目される。それでも1mの距離の通過時間を気にかけることは普段はない。

エネルギーの伝播実験 光速度を超える信号伝送手段はないから、伝送速度を計ることは困難なため無理ではあるが。(次の実験で、電源スイッチを投入した時刻を負荷端で瞬時に知ることは無理であるから。)

エネルギー伝播 電気回路のエネルギー伝播現象を考えてみよう。電気回路の伝送路は基本的にインダクタンスと静電容量の分布定数回路になっている。その様子を図に示した。実際には2本の電線が張ってあるだけで、外見的にはそこにインダクタンスやコンデンサがつながっている訳ではない。図では単位長さ当たりL[H/m](一区間に上下二つのLが有るが、等価的には一つのLと考えてほしい)とC[F/m]の分布定数回路となっている。実験的にエネルギー伝送現象を確認するには、実際にある値の LやCを変化させた分布回路として、原理的には可能であろう。負荷終端には電線路の特性インピーダンスと等価な抵抗負荷とする。負荷で到来波のエネルギーを消費し、反射波を防ぐための条件である。電源は十分大きなエネルギー量を貯蔵したコンデンサとする。スイッチSをオンする。瞬時にエネルギーは伝送路に流れ込む。そのエネルギー波が負荷に到達する、その波形を電圧vで観測する。恐らくその波形は雷の衝撃波形に似たものになろう。負荷端のエネルギーは電圧vの2乗で波形を理解できる。その電源からのエネルギー伝送現象は回路定数を大きくすれば、エネルギー伝送時間は長くかかる。定数が小さければ伝送速度は速くなる。その意味は誰もが理解できよう。電線路の静電容量やインダクタンスが大きければ、エネルギーが静電容量に貯蔵される余裕が大きく、インダクタンスが大きければ、そこを通過するのを阻止する反発が強くなる。だから分布定数が大きい程エネルギーの伝送に長い時間がかかることになる。即ち回路定数によって、エネルギーの伝播速度、光エネルギーの速度が変化する訳である。この辺の現象は電力系統の管理技術者には当たり前の感覚的認識になっていることであろう。電気エネルギーはエネルギーの空間分布波としてみれば、光のエネルギー分布波と同じ訳で、光の真空空間の伝播速度即ち光速度がその空間定数で決まるのが当たり前と理解できよう。空間の長さ1m当たりの静電容量とインダクタンスがその空間を通過する光エネルギーの「時間」を規定する訳である。だから、JHFM自然単位系で、時間の秒[s]が空間定数の[√(HF)]になる訳である。ここには速度という見方と逆の、1mを通過する時間は幾らかという [s/m]の見方になっている。それも速度と意味は同じである。

エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系

不思議の極み 空間定数の「真空透磁率」を誰が何時決めたかが分からない。μo=4π×10^-7^ [H/m] はあらゆる計量単位の基準として定められた筈だ。誠に不思議な数値である。4πは球の全立体角 ステラジアン [㏛]と解釈する。すべての実用計量単位MKSAがこの空間定数の真空透磁率μo[H/m] が基準になった事によって決まる。そこに選ばれた単位が電気回路のコイルが持つ電気的空間構造の特性機能の評価量を表す意味のインダクタンスの単位ヘンリー[H]である。この定数を決めた時点で、真空空間が持つ空間のエネルギーに対する誘導性という物理的定数だという認識の下で決めたのだろうか。空間が誘導性のインダクタンスの機能を備えていると認識して確定したのだろうか。この基準を決めたことに因って、空間にはもう一つの真空誘電率εoという定数が確定されたと考える。その単位もやはり電気回路の静電容量という機能要素の物理的評価量の単位ファラッド[F] で示される。それがεo[F/m] である。この意味もまことに不思議な単位である。決めた時点で、空間が電気回路の静電容量の次元を持っていると認識して決定したのだろうか。それなら誠にその確定については慧眼の至りと驚かざるを得ない。しかし、それらの空間定数が何処で、どのような機関又は人に決められたかが分からない。しかしその空間定数があった事のお陰で、現在幸運であったと確信して使っている、自然単位系JHFMを闇の中で、1990年春に見つけた。

その夏7月に何の説明もなしに、大学職員が大勢で我が家に御出でになられて、玄関で白紙に拇印を押させてお帰りになられた。後でそれは筆者に対する分限免職の承認と見做す捺印のようだった。その拇印も誠に不鮮明であったようで、後には他の機会の、たぶん庶務課での茶碗から採取の鮮明なものに変わっていたようだ。誠に国家公務員の人事行政の意味も知らない筆者の無知のために、多くの皆さまに御迷惑をお掛けし、それが原因で招いた当時の過ぎてしまいましたが、失礼をお詫びいたします。と言っても今でも全く理解不可のまま、無知の上塗りでぼーっと日々が過ぎ、流され続けております。

真空誘電率 εo=(1/36π)×10^-9^[F/m] とこれまた誠に気持ち良い数値である。そこに自然空間における光のエネルギーの伝播速度が決め手となっていることが、これまた自然の美を意識せざるを得ない。

光速度をc[m/s]とすれば、

c^2^μoεo=1

である。不思議は美しさでもあるのか。