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電流の世界

(2020/11/25)。

正弦波交流回路。その回路の解析にはオームの法則が有効だ。電気回路の電流の意味を考えてみよう。電流は流れず (2010/12/22)。電子は流れず (2019/06/06)。と全て流れていないと言ってきた。しかし電流計で誠に正確に電気回路に流れる電流値が測定できる。測定できれば電流が流れない等とは信じられない。しかし電線金属の中には決して電流や電子など流れられないのだ。電流と思っているのは電線導体の近傍を光速度で伝播する、空間の『エネルギー』なのだ。そこで少し変わった実験による『電流』の意味を知る為の測定法を取り上げてみよう。『電流』と言う測定量が何を検出しているかを知るための測定法だ。この記事の参考に、電気回路の電圧と電流 (2020/11/27) がなろう。

瞬時値の意味。

筆者も瞬時値と言う用語を使う。瞬時電流等と使う。電気回路制御では実際に電流値の制御が主題になる。それは技術計測量を指し、その瞬時の計測量を指す。上の図に示した電流 i(ωt)の瞬時値は、実際には電線近傍の空間を流れる『エネルギー』の量を検出した測定値で、

i(ωt) = √[{δp(ωt)-δr(ωt)}/L]    [(J/H)^1/2^]

の意味で解釈して良かろう。それでも電線路長 1m の分布エネルギー当たりに対する値でしかない。だから瞬時値という意味はあくまでも技術計測量を対象にした意味でしかない。本当の瞬時値とは時間の流れの無い値の筈だから、そのような厳密な瞬時値量は有り得ないのだ。電流計で計測する電流値は普通実効値で評価する。上の式の値を2乗(S)して、その1周期分の平均値(M)の平方根(R)の値である。実効値はRMS値だ。

ダイオード電圧の発電現象。

太陽光発電もダイオードのn型半導体側に光の『エネルギー』を受光して、ダイオードをONさせて回路を構成することで、その『エネルギー』を電気回路に取り込む技術である。光―電気エネルギー変換法だ。光も電気も同じ『エネルギー』なのだ。ダイオードのn型側に『エネルギー』を吸入すれば、ダイオードもONして、ほぼ一定電圧の『エネルギー』放射の電池と同じ機能を発揮する。だから電気回路の電線に平行に感度の良い信号検波ダイオードを添えると、その負荷にDC.mA メーターを繋げば、その電流計の針が振れる。ダイオードのn型側に『エネルギー』が吸入されるからであろう。もし、ダイオードが図と逆向きの場合はメーターの針の振れは反射エネルギーの検出向きないので、振れが小さくなるであろう。

電気回路の現象。電源電圧の負極性側が電源からの『エネルギー』放出電線路である。その負側電線導体近傍空間を『エネルギー』は伝送される。電源電圧の大きさ、電圧値が電線路の容量C[F/m]からその電線路空間の『エネルギー』分布値を決定する。その『エネルギー』は必ず伝送分と反射分から構成される。この意味が上の図のダイオードの電流検出機能を証明する筈だ。実験をして見ればすぐに分かろう。このダイオードの機能は既に高周波の定在波検出に利用されている手法である。直流電源回路でも電圧負側の導線近傍に沿えれば、電流値に従ってメーターの針の振れが変る筈だ。図のように、負荷抵抗の係数αの逆数に比例する。

電線路電流と言う概念量の物理的意味はこの伝送エネルギーと反射エネルギーとの関係から決まる電気技術量なのである。電圧と共に電流と言う技術量を定義し、電線路を通して『エネルギー』を供給販売する計測法を確立したと理解できる。電圧も電流も電線路空間を伝送する『エネルギー』の計測法の為の技術量なのである。実際の電流計は電線路と並行のコイル内に伝送エネルギーを取り入れて磁気的な検出法を利用したものである。

負荷特性との関係。

交流回路は、インピーダンスによる解析が基本だ。しかし真相としては電線路のエネルギー伝播の姿を的確に認識することが求められる。その為には、特殊な場合、即ち純誘導負荷、純容量負荷における伝送エネルギーおよび反射エネルギーがどのようになるかを理解することが求められる。この課題が理解できて、初めて現象の真相が明らかになるのだろう。線路電圧と負荷のエネルギー放出による線路分布『エネルギー』への関りの関係で解釈できよう。

エネルギー流が電圧・電流

電圧・電流の物理的正体(2020/09/29)。

長い電気回路の解釈を通して、感覚的に納得できたかと思う。『電荷』概念を捨てて、電気磁気学の科学論の常識から離れて遠い道を辿ってきた。パワーエレクトロニクスと言う新しい電力制御技術に出会い、その回路制御技術を通して『エネルギー』の実在性を感覚的に身に深く刻むことが出来た。様々な過程を経て、理論と『エネルギー』の間の不協和を謎として追究してきたように思う。電気回路は電圧と電流なしには解釈できない。その電圧と電流が回路の線路空間を流れる『エネルギー』の流れとして捉えて良いとの結論を得た。

直流回路のエネルギー流。

電池などの電源からランプを点灯する回路。それは最も基本となる直流回路だ。その電気回路は二本の電線で囲まれた空間を『エネルギー』がほぼ光速度で伝送される機能設備と言えよう。電線路はその空間が電気的特性、コンデンサとコイルによって特徴付けられる機能回路である。電線路の単位長さ当たりの持つ静電容量 C[F/m] とインダクタンス L[H/m] によってその空間の特性が特徴づけられる。その C L によって電気『エネルギー』の電線路特性が決まる。電源の特性は電線路に供給する『エネルギー』の供給能力で評価できる。電源端子の線路容量 C で供給する『エネルギー』の分布が決まる。それがそのまま電圧と言う技術量を表すことになる。電源の電池やその他の直流電源は技術的な電圧規定値、定格値でその能力を評価できる。電源から送出される『エネルギー』は線路特性に因る伝送速度 c で次の式で決まる。

c=1/√(LC) [m/s]

電線路の分布した『エネルギー』がδ[J/m] なら、その伝送速度が c となる。この伝送特性は、高周波伝送であろうと商用電源であろうと全く違いはない。直流回路も同じ基本特性にある。

直流回路の反射現象。

直流回路のエネルギー反射現象と言う認識は無いと思う。ここで述べる解釈は、おそらく科学論としては評価されないかも知れない。何故なら、全く科学的手法の原則である実験的検証による説得力のある論ではないから。しかし、電気現象が全て『エネルギー』の光速度伝播であるとの認識に立てば、その伝播空間と『エネルギー』の関係から電磁波の周波数に因る差異がある筈が無いとしか考えられない。となれば、伝送回路の空間特性により、特性インピーダンスの意味も負荷の整合性で直流回路においても全く同じ筈と考える。伝送エネルギーが負荷に到来しても、整合性の執れていない負荷では、その内のある分の反射現象が起きる筈だ。

反射現象で、反射エネルギーはどの電線路側を戻るか?ここにその判断の鍵があるようだ。プラス側を戻るか、マイナス側を戻るかに判断を下さなければならない。

反射エネルギーは負側の伝送エネルギーの到来側をそのまま反転して戻る。そう結論を付けた。

負荷の反射は回路の特性インピーダンスZoと負荷抵抗Rとの関係で整合が採れているかどうかに因る。今負荷抵抗が回路のZoのα倍とする。図のように負荷で伝送エネルギーδpの内のδrが反射するとする。負側電線路のエネルギー分布量δは二つの合成となる。負荷で反射して、電源に到来する『エネルギー』分布波δr分だけ電源から送出する『エネルギー』δpは少なくなる。電線路エネルギーギャップはδ=δp+δrと、電圧保持分布量に成っているから。

模式図。上の関係を模式図にまとめる。

負荷が整合に在れば、α=1である。『エネルギー』の反射は無く、電源供給の『エネルギー』δ分布で、そのまま負荷に吸収・変換される。

【実験的課題】α<1の時。特性インピーダンスZo より負荷抵抗が小さい場合に当たる。この時、電源の供給能力があれば、あくまでも電圧を規定値に保つべくδpを増加するかと言う問題になる。一つの実験的検証の課題が浮かぶ。プラス側を反射波δrが電源に戻る。その分多く電線路エネルギーギャップがδ=δp-δr、V=√(δ/C) となるように、δpが多く送出されれば解決となる。実験的に確認したい未解決問題。

関連記事。

電流と電圧の正体 (2013/05/16) 。電気の真相(3)-電圧と負荷-(2015/09/25) 。電圧-その意味と正体- (2016/05/15) 。エネルギー伝播現象 (2020/06/27) 。『電圧』という意味  (2020/07/04) 。電圧とエネルギー (2020/07/10) 。技術概念『電流』とその測定 (2018/09/24) 。などの解釈を経てきた。

 

定在波の発生原理

定在波とは(2020/09/22)。ここで解説する意味には『電圧』と『電流』で定在波を論じる。しかしその『電圧』と『電流』の意味には深い意味が有るので、一般的な電気回路の『電圧』『電流』とは少し異なる意味かも知れない。それは測定法に関わるので、その点も含めてご理解いただきたい。この定在波測定回路については後の記事に示したい。

電気現象はその基本が『エネルギー』一つの振る舞いである。しかし商用周波と高周波あるいは直流とそれぞれ回路解析法は異なる手法が適用される。高周波回路は電線路長に対して電気信号の波長が短いために、その電気現象は特異なものに観えることになる。それが定在波と言う波についてであろう。定在波は電線路終端短絡の場合に顕著に、そこからの反射波と伝送波の間に起こる現象として強く現れる。負荷終端の場合は、様々な影響が定在波分布に現れる。専門的な解説が多く示されている。しかし、とても内容が複雑で筆者には難しい。それも波動と言う波形が何を表現したものかが分からない。ここでは伝送波も反射波も全て『エネルギー』の分布密度波として捉える解釈について論じたい。

インピーダンス整合。

負荷インピーダンスが電線路の特性インピーダンスと整合して居れば反射波はない。すべて負荷に伝送エネルギーが吸収されて反射するエネルギーは生じない。それがインピーダンスマッチングと言う状態なのだろう。

電線路電圧の概念。

電気現象は『電荷』を否定して初めてその真相が見えてくる。高周波であろうと直流であろうと、電源は電線路の空間を通して、『エネルギー』を負荷に供給する回路技術である。二本の電線a と b の間に高周波電圧を掛けるとする。その電圧を掛けるという物理的意味をどのように解釈するかと言う難しい話になる。まさか電線に正の電荷と負の電荷を交互に電源から送出するなどとは考え難いだろう。①には、『エネルギー』の波の伝播で示した。電線路に電圧測定装置、オッシロスコープ等を繋げば②の様な電圧波形が得られるから、電圧と言う物理量が自然世界に存在すると誰もが考え易い。しかしその電圧と言う物理量は、人が科学技術に依って獲得した測定技術の賜物であって、簡単に電線路に電圧が在ると理解するには、それはとても深い物理的意味を知らなければ分かり難い概念なのである。

定在波とエネルギー流。

終端短絡の定在波とは。電線路の位置によって、電圧や電流と言う概念の分布を測定すると、測定値が正弦波状の分布になる。その分布波形を定在波と言う。終端短絡の時、『エネルギー』は電源から伝送され、終端ですべての『エネルギー』が反射する。その往復の『エネルギー』の波動が重なり合い、その密度分布の大きさが電線路の位置によって決まった脈動をする。図の電圧の定在波をVで示し、電流の分布をIで示した。電圧定在波Vは常に零の位置がある。『エネルギー』は電線路を光速度で流れるから、電線路の位置によって流れが違う訳はない。それなのになぜ測定値が異なる正弦波分布になるかと言う疑問が沸く。そこに『定在波』と言う意味が隠されているのだ。

今、図のように電線路の長さが電源電圧波長の2倍の長さとし、その終端を短絡する。電線路を短絡するなどという事は普通は短絡事故と考える。しかし、高周波電圧波形の場合は、『エネルギー』密度がそれほど高くなる前に極性が反転して、高密度にならないため、短絡しても事故とならずに済む。極性の切り替えが早く高密度エネルギーにならずに済むためである。短絡終端に到達したエネルギー波はすべて反射して電源側に戻る。その反射伝送は到来『エネルギー』波の反対側の電線近傍を、即ち反対側電線を戻る。

電線路電圧の意味の追加説明。この事は別の記事にして示したい。短絡終端は当然電圧は零である。電圧零という意味は二本の電線路の両方が同じエネルギー分布であれば、それ電線路間の電圧は零である。電圧とはエネルギー分布ギャップを評価するものである。それは乾電池電圧の『エネルギー』の意味と同じものである。二本の電線間にエネルギーの分布差が無ければ、如何にエネルギーが大きかろうと電圧は零である。エネルギーギャップ零は電圧零である。

この記事は

金澤:分布定数線路実習に対する一考察。新潟県工業教育紀要 第3号、(昭和42年)。に載せた定在波分布波形の意味が良く分からずに、改めた考えてみた。実験での測定データなどは他にあまり見当たらない。その意味でとても貴重な資料と考える。正直に当時を振り返れば、よくこんな実験をして、報告記事にしたと驚いている。その訳は今でもそのデータの意味が良く理解できないのだ。その意味を少し掘り下げて理解してみたい。その第一報として定在波と『エネルギー』の関係だけを論じた。一般の解説には『エネルギー』の観点はほとんど示されていないように思う。

 

原子構造と8面磁極

原子構造(2020/09/13)。

原子構造論など全くの素人が申し上げるのは大変恐縮である。しかし、『電子』の存在を否定したら、標準的原子構造論を信じられなくなる。専門家の論理を否定せざるを得なくなる。誠に不遜の極みとお恥かしい次第です。

八面体と軸性エネルギー流。八面体の表面は軸性エネルギー流(Axial Energy flow)の磁極との解釈を提案した。図の赤い丸は N 極、青い丸は S 極を示す。水素原子は最小のマグネット単位原子と解釈する。もし『電子』を考えるなら、それはもっと小さな軸性エネルギー体のマグネットと考えればよいかも知れない。しかし電気回路ではそんな『電子』も必要ない。分布定数回路を考えれば、そこには電線路空間内のエネルギー分布流しか考えられない。従来の分布定数回路と言うインピーダンス認識も考え直す必要に迫られる。

原子の基本的特徴。周期律表に示されるように、やはり8の周期性で特徴付けられるのは確かであろう。中心には核があり、その周りを『電子』が取り囲んでいるような構造体として原子を捉えているのが常識的科学論である。原子は他の原子と結合する性質を基本的に備えている。原子の空間像をどのように捉えるかは、その結合の機能を何に求めるかに係っていよう。常識論である原子構造は外郭電子同士の結合にしか説明が付かない。だから「共有結合」なる電子間の結合力を頼りにする以外ない。あるいは電子が理由は不明だが、相手の原子に移り、その結果イオン結合なる結合理論を唱える。そんな電荷間の「クーロン力」に論理性が成り立つと考えること自体が、失礼ながら何も考えていないとしか思えない。

新電磁気学の事始め (2020/09/15) 。『電子』周回構造の原子論批判の為の記事とした。

教育とオームの法則

オームの法則(2020/09/05)。

電気の学習で最初に学習するのは『オームの法則』ではなかろうか。電気回路の電圧と電流と言う電気の基礎を学習するものである。懐中電灯は誰でも家庭に備え付けられていて、手に取って見る事が出来るだろう。その電気回路は最も基本の電池とランプの回路だ。その回路の意味を教える理科での指導法を述べたい。

自然の本質・真理を教えることを主眼に。本筋を易しく教える。その後に技術法則の意味や使い方を教える。それが大事だ。

最初から電圧や電流などの言葉を教えるべきでない。そんな難しい概念が理解できる訳はないから。その意味を教えようとするなら、そこには必ず曖昧な解釈が入る。『電子』などこの自然の世界には存在しないのだから。

学校教育。学校で教えるとすれば、電池と豆電球を電線でつなぐ。するとランプが点灯して光る。その訳を教えるとき、電池のプラス端子から電流が流れ出て、豆電球に流れて、電球が明るく光ると教るだろう。その教え方が間違っているとは言えない。それは正しいのだ。その先に疑問が沸き、何故かと考えるかも知れない。そこでパソコンや携帯端末でインターネットから学習しようとすると、本当は『電子』が電流の逆に流れていると解説されている事に戸惑うことになるだろう。学校教育は教科書によって教える。その教科書の内容や教え方は文部科学省と言う政府機関で細かく決められて、その『学習指導要領』の指導指針で厳格に決められて、勝手な指導は出来ないことになっている。教師の教育指導法に自由が許されない仕組みだ。

オームの法則の学習指導法の理想。

学校教育の内容とは違うが、電気回路現象は教科書のような解説では本当のことは理解できないのだ。兎角数式で解くと程度の高い理解に結びつくと考えるのではなかろうか。本当はそうでは無いのだ。数式は確かに高度な科学技術を理解するにはとても有効で、便利ではある。しかし、その数式で解いたからと言って、懐中電灯の電気現象が理解できる訳ではないのだ。何処までも何か納得できないで疑問が残るかも知れない。しかし今まで誰もがその疑問に真剣に向き合ってこなかったのではなかろうか。何処かで、電流が流れる事で分かったことにして置こう。それが科学技術社会での常識の世界で社会に役立てる道であるから。と決まる。『オームの法則の真相』は電気現象の自然現象を理解しなければ分からないのだ。言葉で述べて説明できなければ、本当の電気現象の真相を知ることはできないのだ。それは誰もが簡単に理解できることだと思う。その真相を説明したい。

上の図はその電気回路の真相の説明用の図である。電線の中を電流や『電子』が流れる訳ではないのだ。しかしオームの法則によれば、流れる電流は

I=E ÷ R [A]

と簡単に数式によって算出できる。その値は電流計で測る値と等しい結果になる。それだけで、オームの法則が如何に優れた科学技術法則かが分かるだろう。それなのに、その計算に依て理解することは、この電気回路の本当の自然現象を理解したことには成らないのだ。電線の中など何も流れてはいないのだ。流れるのは、電線で囲まれた空間内の『エネルギー』しかないのだ。それも光の速度で瞬間に流れるのだ。電気信号が伝わる速度は光速度だと昔から分かっていた。『電子』が電線の中を光速度で流れられる訳などないのだ。それなのに、何故か『電子』が電線の中を流れると解釈するだけで、信号が光速度で伝播する事との関係を突き詰めて考えようとして来なかったのではないか。電気回路の電線で囲まれた空間を光やスマホの電波と同じく、光速度で流れる『エネルギー』なのだ。図のように、それも電線の負側の近くの空間に多く流れる現象なのだ。電線の正の側は『エネルギー』の伝送空間を規定するだけに近い役割と見做せるだろう。あくまでも自然現象には『電子』や『電荷』は全く存在しないのが、その真相である。だからと言って、その空間の『エネルギー』の流れを測定するなど不可能な事である。見る事も測ることも出来ない物理量『エネルギー』が自然世界を支配している現実世界なのだ。この事は数式など計算しなくても、誰でも基本として認識すべき真相なのだ。その上でこそ『オームの法則』が如何に優れた科学技術法則であるかが理解できる筈なのだ。空間を流れる『エネルギー』を電流計と電圧計で計測する技術を完成させた事の意味をよく理解しなければならないのだ。それは素晴らしい人類の科学技術として完成するまでの努力の結晶なのだ。空間に流れる目に観えない、測れない『エネルギー』を電圧と電流と言う二つの計測器によって測れるようにしたのだ。これほど簡便な量的理解ができる法はないのだ。電流計や電圧計が如何に優れた科学技術の成果であり、文化であるか。それを理解することが、理科教育の本筋でなければならない。

電気回路はすべて『エネルギー』が空間を流れる現象である事を理解することである。それが全ての科学理論の理解の基礎となるのだ。これは科学や理科の教育で、すべての方に理解してほしい基本と思う。広い科学の分野で、その分野ごとに独特の概念が使われるが、それはそれで専門分野ごとに違っても良いだろう。しかし学校教育の基礎で、余りにも複雑な科学技術概念をそのまま教える事は、子供たちの自主性と創造性を損なう意味で考え直して欲しい。しかも結局理解できないモヤモヤの気分を後に残す。そして多くの細かいことを記憶させる膨大な内容によって子供たちの折角の豊かな感性と日常生活のゆとりを損なうことになる。

〈問題〉。上の回路で、負荷が要求する『エネルギー』を電源はどのように判断するか?もちろん電池に認知機能などない筈だ。電池が送り出す『エネルギー』はどのように決まるか?

「答」。電源は『負荷』のことなど一切関わりない。何も知らなくても自然の摂理でそのままの『エネルギー』の量が決まる。その意味を考えてください。計算式では答えに辿り着けない。

『電圧と電流』すべて逆だった

電気現象の解釈は長い歴史を経て、今電気理論として科学技術の根幹をなしている。しかし、そこには大きな誤算があった。『電圧』と『電流』に物理現象としての論理性がなかった。しかし、これからも「オームの法則」として科学技術に欠かせない理論として社会的な文化であり続ける。

科学理論と自然世界。

特に物理学理論として『エネルギー』の実在性を見誤ってきたところに、科学者の現代的責任が問われなければならない。『電荷』は自然界に存在しないのだ。従って、『電子』は誤った科学概念であった。電気現象に『電子』は不要の存在であった。そこに現代物理学の誤りの根源がある。

電気現象はすべて『エネルギー』の流れである。『電圧』は電気回路のエネルギー分布の逆向きの方向に定義した技術概念である。『電流』も電線の近傍空間に流れる『エネルギー』を、逆向きに流れると定義してしまった科学技術概念である。しかも、その『電流』の逆向きに『電子』と言う実在しない概念を創り出して、論理を構築してしまった。そこに科学理論の根本的矛盾を持ち込んできたことになる。光も『エネルギー』の流れである。今太陽電池の現象を考えながら、先に『電圧と電流』の自然現象・理科教育としての矛盾を述べた。

電気工学から物理学を問う (2017/04/09) の回答であったかも知れない。

電圧とエネルギー

観えなくて測れない物理的実在量、それが空間の『エネルギー』。しかし、それは物理学理論の概念にはない。その空間像の象徴が『光』だ。光に因って物は見えてもその光およびその『エネルギー』は観えない。

『エネルギー』とは不思議だ。誰もが言葉にするが、その姿を見る事が出来ない。物理学理論で『エネルギー』と言えば、運動エネルギーと位置エネルギーがその意味になる。その物理学理論の『エネルギー』は何となく見えるような気がするかも知れない。ボールが飛んで行けば、その速度で運動エネルギーを感覚的に理解できたように思う。しかし、その飛ぶボールを見ても、ボールが見えるだけで『エネルギー』などどこにも見えないし測れない。速度と質量から計算式で算定することはできるが。蓄電池は電気エネルギーを蓄えた電気製品だ。しかしその貯えたエネルギーを認識できない。どんな像であるかを理解できない。代わりに『電子』で代用して理論を作り上げる。しかしそこでも『エネルギー』を説明出来ない。

貯蔵電気エネルギー。電気回路で『エネルギー』を貯蔵できる要素はコイルとコンデンサである。しかしその『エネルギー』を、その像を見る事はできない。また、抵抗も『エネルギー』を貯えない訳ではない。抵抗もその構造体の中に『エネルギー』を貯えるから、時間積分で温度が上昇する。だから『エネルギー』を貯えたことには間違いがない。しかし、電気回路にその『エネルギー』を再び戻す働きを持っていないのが抵抗体の不思議な機能である。

『エネルギー』

エネルギー W[J] を青色で描いた。それが電気要素の空間に存在する『エネルギー』である。描いて示したと言っても、それは科学的な検証に耐える証明が出来ない。だから物理学理論の概念には成り得なかったのかも知れない。見ることの出来ない『エネルギー』を、その空間像だと言って描いても、物理学理論の概念として受け入れられる論理性もないし、実測できる保証がないから、絵に描いた「餅」と言われても当然のことである。その意味ではこの空間の『エネルギー』の概念認識が無い物理学理論を非難できないかも知れない。それでもこの空間の『エネルギー』を認識することが自然現象を理解するには欠かせない。何か「電荷」の実在を頭ごなしに押し付けるのと、空間の『エネルギー』を押し付けるのと何処か似ているかも知れない。それは電気回路の現象を多くの観点から、各人が確認しながら納得する以外ないのかも知れない。磁石の周りの空間の『エネルギー』の流れと同じことなんだろう。見えないものを在るとは強制的に押し付けるべきではないから。

電気理論による数式で表せば、

コイルのエネルギー     W =(1/2)L×i^2^ [J]           (1)

コンデンサのエネルギー  W = (1/2)C×v^2^ [J]         (2)

となる。このような数学的表現で纏められる意味はとても大きな科学技術の業績である。いくらコイルの中に『エネルギー』があると力説してみても、その量を計れないことを知れば、(1)式が如何に優れた技術的表式であるかを理解できよう。『電流』と言う技術概念とその測定技術が如何に優れたものであるかを。しかし電線導体の中を『電流』や『電子』などは流れていないことも知らなければならない。そこに科学技術と自然現象の真理との差を知る必要が有るのだ。『電子』での解説者は、そこに『エネルギー』の認識を解説する義務がある事もまた分かってほしい。

電気技術論によってこの数式で算定はできるが、決してコイルやコンデンサの中に蓄えられた『エネルギー』は観えないし、測れない。コイルの空間に『エネルギー』があると理解するためには、電気回路技術の多くの計算を通して、感覚的に認識することが大事だ。学んで、そこから深く理解するには、疑問を抱き分からない不思議に直面して、そこを乗り越えて感覚的に納得できるのだろう。『電流』が流れていないことを理解する迄には、長い難しい道を辿る必要があるかも知れない。

電圧は『エネルギー』の評価技術量。見えない『エネルギー』と電圧の関係を考えてみよう。不平衡の空間の『エネルギーギャップ』を電圧として解釈している。コイルとコンデンサの貯蔵エネルギーに対する、その端子電圧には特徴的な差がある。コイルの中の『エネルギー』量を外から推し量ることはできない。一定値の安定した『エネルギー』の貯蔵状態では、端子電圧は零になり、『エネルギー』の量を推し量れない。一方コンデンサの場合は、その貯蔵の『エネルギー』量は端子電圧に直接現れる。コイルもコンデンサも貯蔵する『エネルギー』に違いがある訳ではない。同じ『エネルギー』を貯蔵するのである。同じ『エネルギー』を貯蔵する、その金属導体によって作られる空間構造が違うだけだ。貯蔵するのは『電荷』でもなければ『磁束』でもない。それは見えない『エネルギー』なのである。

電圧 [V] の次元は [(J/F)^1/2^] 。

電気物理(電圧時間積分とエネルギー) (2019/03/26) との関係での記事となる。

線路定数L[H/m]、 C[F/m]の『エネルギー』と端子電圧の関係を考える。線路容量Cに関わる『エネルギー』分布密度をw[J/m]とする。負荷のコイルとコンデンサの貯蔵エネルギーをW_L[J] W_C[J]とすれば、次の式で表される。

貯蔵『エネルギー』量はそれぞれの要素の端子電圧との関係で決まる。

wL は端子電圧が掛かる限り、その時間積分で増減する。コンデンサのwc は端子電圧そのものが貯蔵エネルギーを表す。この式から、端子電圧は次の図のような意味と解釈できる。

(1) コイルの端子電圧の意味。電線路に繋がれた負荷のインダクタンスLl[H] とする。コイル端子の電圧もその次元は [(J/F)^1/2^] である。コイルが繋がれた電線路は回路定数 C[F/m]の『エネルギー』分布空間である。コイル端子が繋がれた外部条件によってコイルへの『エネルギー』の入出力が決まる。電線路の『エネルギー』がコイル端子の電圧を表している訳である。電圧がコイルに掛かれば、コイルの『エネルギー』は変化し、その微分がまた端子電圧でもある。

(2) コンデンサの端子電圧の意味。容量 Cl[F] のコンデンサ負荷が線路に繋がれている。コンデンサの場合は、線路『エネルギー』分布により、コンデンサとの『エネルギー』は線路定数 L[H/m] を通して行われる。そのコンデンサの端子電圧はコンデンサ自身の保有『エネルギー』量によって直接決まる。コンデンサ内の空間ギャップでの『エネルギー』の空間分布構造が如何なる形態であるかを判断しなければならない。誘電体の分子構造内に貯蔵される訳であろうから、『電荷』否定の上での捉え方としては分子内での軸流以外予想できない。電極の負極側の高密度分布が予想されるが、未だにその誘電体分子構造内の空間エネルギー分布流は不明だ。結局は、磁性体内と誘電体内で同じような軸性エネルギー流になるかも知れない。前にコイルとコンデンサの磁気ループ (2016/07/13) に考え方を示したが、誘電体での微視的分子構造までは考えていなかった。電極間の『エネルギー』不均衡分布が電圧だという解釈との整合性をどう認識するかの課題かもしれない。

何が電池電圧を決めるか?

電池電圧と『エネルギーギャップ』 (2016/05/08) で考察したが、『電子』ではその訳を説明できない筈だ。電池は『エネルギー』の貯蔵器で、『エネルギー』を使っても端子に現れる電圧は常に一定値である。その電圧を決める意味には『電圧』とは何か?の「問」が示されている。『エネルギー』と電圧の関係が問われている筈だ。ここにまとめの意味を含めたい。

電気現象の哲学的課題

1990年(平成2年)に『JHFM』単位系-エネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系 (2010/12/18) ーを作った。自然現象は『エネルギー』がその根源をなすとの認識である。その時の課題が真空透磁率μo[h/m]と真空誘電率εo[F/m]の『エネルギー』の伝播現象に果たす空間構造の哲学的解釈であった。

伝播定数γ=√(CL)  [s/m] 。それは『エネルギー』の単位長さを伝播するに要する時間。光速度と同じ物理的意味であるが、光速度の逆数で評価するものでもある。記事、空間定数とエネルギー伝播現象 (2019/09/14) が参考になるでしょう。

電線路空間は線路定数によって統一的にその特性を評価できる。その電線路空間を伝播する『エネルギー』の特性を特徴付けるのは電線路単位長当たりの C[F/m] およびL[H/m] そして伝播定数γ[s/m]である。線路定数は分布定数回路空間の世界 (2019/10/14) に示した。

電線路の電気現象についてまとめるにあたって、今も自然の時空構造をどう解釈すれば良いかと疑問のままであるので、最終的課題として提起しておきたい。

ロゴウスキー電極空間の磁界

はじめに(2020/06/09)。
電気工学の分野に「高電圧工学」がある。高電圧送電系統の安全設計に欠かせない基礎工学部門である。雷が送電線路に及ぼす影響を調べるに、高電圧放電現象を研究する標準電極がロゴウスキー電極である。直流の高電圧をその電極間に印加すれば、その空間は静電界と言う電場になる。電気理論では、その電極の間の空間には一定の静電界が両電極のプラス、マイナスの『電荷』によって発生すると成っている。決して磁界は存在しないことになっている。実は大学の卒業研究が高電圧のアーク放電に関するものであった。電力回路制御論と電気磁気学理論との理論的統一への道が高電圧工学のロゴウスキー電極間の空間のエネルギー流に導かれて、今日の物理学理論の根源を問うことになった。The electron did not exist in the world. (2020/05/15)。それは1987年春からの、中曽根臨時教育審議会(*)の不気味で、不可解な中での政治と教育の中立性に関わる事件とも言えよう。

静電界中の磁界。初めに結論を示そう。それが下図のロゴウスキー電極間の空間のエネルギー流である。自然界には『電荷』は存在しない。だから、高電圧工学の研究の基礎概念である『電荷』による電極空間の電界は実際はその空間を還流しているエネルギー流の場である。その空間にマグネットを設置して、いわゆる電界強度を強めれば、磁石のマグネットの向きが変化する。現在の科学理論の『パラダイム』では解釈できない現象である。以下の記事の結論を示した。

 

ロゴウスキー電極間の空間に、磁界が存在することを実験で確認した。今になれば、電界と磁界は単独の電磁場とはならないことを当たり前のことと認識している。だから静電場に磁界が在って当然との認識に在る。しかしそれは、現在の電気理論の教科書の解釈には無い。それが「科学パラダイム」と言う現在の科学理論の世界に問う緊急の課題でもあることになる。

『静電界は磁界を伴う』-この実験事実に基づく電磁界の本質-
その実験結果の写真は Friction heat and Compass (2020/03/22) でも説明した。

『静電界は・・』の結果の、そのむすびに、 4. 実験事実に基づいた電磁界への考察と課題 として良くまとめてある事を知った。現在は、そこで指摘した課題を忠実に確認して、全体像として科学理論の矛盾を解明してきたと一つの安堵に居る心地だ。その翻訳を印す。

以下の翻訳文の中に出てくる方程式とその番号(3)、(4)および(5)を示した。これらの式はマックスウエル電磁場方程式を光速度ベクトル c=cj によって表現したものである。エネルギーの伝播方向を座標のyj軸とした。なお、(3)式はポインティングベクトルであるが、この式は瞬時値としては余り意味が無い(1秒間の値と見える)ので、別に取り上げて論じたい。
(翻訳)
4. Consideration of electromagnetic fields based on experimental results and future challenges. It was experimentally confirmed that a magnetic field exists in a constant electric field (electrostatic field) as shown in equation (5).Therefore, it can be said that equations (4)and(5) are basic equations that express the essence of electromagnetic fields. The meaning of equation (4) also includes the concept that there is an electric field around the permanent magnet and the earth, and there is also a flow of electromagnetic energy. Next we discuss the relationship between “charge” and “energy” as an important point discovered from the experimental results. Figure 3.The fact that the directions of b and c are opposite, we must conclude from Equation(3) that the directions of electromagnetic energy flow are opposite in b and c. This means that “positive charges” radiate electromagnetic energy to the surrounding space, and “negative charges” have the property of absorbing energy from the surrounding space. Although the current electromagnetic field theory is constructed based on the concept of Coulomb force acting between electric charges, experimental facts demand the need to regard it is “field proximity force” from the concept of electromagnetic energy flow. I am keenly aware of necessity of revising the laws supporting the current electromagnetic field theory from the electromagnetic energy flow and it’s propagation trajectory.

新世界―科学の要― (2015/03/05) にロゴウスキー電極間の空間のエネルギー流を示した。その意味を冒頭に既に示した。結局その結論が上のむすびで述べた目標であった。

ロゴウスキー電極の負極性の電極間のエネルギー流は、Fig.Energy flow and proximity action force. の図のように流れると一つの結論に到達した。そこにはマグネットの磁極近傍が Axial energy flow の場であるとの解釈が必要だ。その事によってはじめて電磁場の電磁力がエネルギー流間の近接力によるとの解釈に至る。発表当時に予稿論文で述べたとおり、下部電極側は正の電荷として理論は捉えているから、そこからエネルギー流が外向きに流れ出る意味で同じことと言えよう。上部電極は周辺からエネルギーが流れ込む意味で、適切であった。

「課題」アーク放電に関して。図のような静電界中のエネルギー流で解釈する根拠はあくまでも感覚的なものに依るため、論理的な論拠は無い。場合に依れば異なるエネルギー流であるかもしれない。図の解釈では、「アーク放電」の発生原因を説明する論拠の見えないことが欠点である。負電極面から流れ込むエネルギー流が電極空間で竜巻状に回転しながら正電極側から外に流れ出るのかも知れない。そこに軸流によるアーク放電路の発生が見えるかも知れない。なお、負電極近傍空間がエネルギー密度の高い不平等電磁場空間(エネルギーギャップ)が電圧の意味である。

今でも驚嘆に感じることは、イギリスのバートランド・ラッセル博士の『物理概念はエネルギーに集約されるだろう』と言う自然世界への感覚である。博士に拍手。

(2020/11/04)追記。ロゴウスキー電極空間の磁界についての写真データ(32枚ほど)。1988年(昭和63年)の秋の事。電気学会、電磁界理論研究会研修資料として、発表してある。EMT-88-145. (1988.10. ?)

(2020/11/05)追記。新世界への扉‐コンデンサの磁界‐ (2011/02/20)。

(*)戦後75年を前にして。思う事様々に。

電気磁気学とエネルギー

Electromagnetism and energy.(2020/5/29).

Energy is the physical quantity of the dimensional joule that actually exists in space.Moreover,it is a basic physical quantity equivalent to the length of space and the seconds of time.Light and electromagnetic energy are typical examples. The electric and magnetic fields of electromagnetism are only technical evaluation concepts of energy that actually exist in space.

Energy wave

エネルギー波を図に表現するのは難しい。必ず3次元空間に分布している光速度の流れであるから。電磁気学はマックスウエルの方程式で解釈されるのが一般的な手法である。それは現代物理学の科学論の基本となっている。しかし、その解釈にはなかなかエネルギーと言う空間に実在する物理量を的確に捉えているとは思えない。変微分方程式によって表現される数式は一般市民が理解するには困難が伴う。ここでは、その方程式の意味を光の空間分布エネルギー波として捉える解釈法によって、簡便に理解できないかと工夫してみたい。何も難しい式が深い理解をするに必要である訳ではないのだ。光はただ空間に分布したエネルギーの流れでしかないのだ。その意味を空間の像として捉えることが先ず必要であろう。何も電界や磁界の意味を知らなくても良いのだ。先ず、エネルギーの流れる空間座標を決めよう。3次元の方向を単位ベクトルijおよびによって確定し、y軸方向へのエネルギー流を取り上げる。この空間体積を持ったエネルギーが光速度coで伝播すると仮定する。その流れに金属導体を置けば、導体に対してエネルギーの流れが、ある電気的信号を生み出す。このエネルギーの流れという意味がなかなか理解されないようだ。それは学校教育で、『電荷』や運動エネルギーの質量が物理学理論の基礎概念となっていて、空間に流れる『エネルギー』と言う物理量が教えられていないところにその原因があると思う。エネルギー その見えざる正体 (2018/11/6) でその意味を述べた。 

マックスウエル電磁方程式

空間を流れるエネルギーを電気磁気学と言う科学理論で解釈している。その方程式が上の二つの偏微分の式である。座標の原点からの位置ベクトル r の点での電磁エネルギーの意味を、電界ベクトル E(r,t) と磁界ベクトル H(r,t) で解釈する手法を完成した。電界も磁界もその内容は基本的に3つの軸成分として解釈する一般化で認識される。それは実際にはあまり意味が無いのだ。電磁エネルギーの光速度伝播に対して考えれば、電界と磁界が直交したそれぞれ一つの成分としてみれば十分である。その意味を図に示す。

図と(1)式の意味。電界も磁界もその概念は基本的に、ファラディーの法則とアンペアの法則が基になっている。電線やコイルの周りの空間に生じる現象を電圧と磁気で統一的にまとめたものと思う。その本質はエネルギーの光速度流であり、その電気技術解釈法として直交した電気と磁気ベクトルで表現した式である。その意味を図にすれば上のように表現できよう。エネルギーがy軸方向に伝播する時、その電界ベクトルをz軸の成分と仮定する。磁界は電界に直交したx軸成分と見做す。このように決めれば、電界の偏微分の回転 rotEは

(3)式の意味になる。電界ベクトルの値がy軸に沿って如何に変化するかの空間微分値になる。ここで、独自の解釈で微分するdyの意味をベクトル値と捉えなければ折角の空間ベクトル計算の意味が無い。∂y=∂yでの分数計算は、規則として定義されていないと思う。文献(1)によって規則を決めて取り扱う。それが (4) 式である。この(4)式により、(3)式のように計算される。

この(3)式は座標上では点線のように表される。電磁場方程式の(1)式のように、右辺の磁界 H(r,t) との関係が何故成り立つか。右辺は時間 t での偏微分である。その意味を次のように捉える。

磁界ベクトルを時間 t で微分する意味は、y座標上のある点で、磁界 H が到来する波動の変化即ち時間微分値を評価することになる。それは時間を光速度ベクトル coj距離 dyj=cojdt 即ち dy=codtに変換したと同等である。この波形は図の rotE(r,t) の点線の波形と同じくなる。電磁場方程式の(1)式で、何故右辺に空間定数の透磁率μoが必要かは少し分かり難い。両辺の次元をとれば、[(J/F)^1/2^/㎡]となり等しい訳だが。その意味には、電界と磁界の間には特性インピーダンス Zo との関係、(5)式がある。(5)式の単位記号で少し混乱がある。特性インピーダンスZo[Ω]は透磁率μo[H/m]の単位[H(ヘンリー)]と誘電率εo[F/m]の単位[F(ファラッド)]から、磁界の記号H[A/m]と混同しやすい未解決の問題がある。 この関係は電気回路で、電圧と電流と特性インピーダンスZo=√(L/C) [Ω]との間の関係とも同じものである。ここでの電圧と電流の意味にもオームの法則での意味と異なり、電気回路を分布定数回路として見たときの、光速度伝播エネルギー波の定在波の意味に関係したものである。直流回路でもその伝播現象はエネルギーの光速度伝播なのである。負荷とのインピーダンス整合問題によって初めて理解できることで、少し自然現象の深みに踏み込む必要が有る。その点だけ指摘して過去の記事にゆだねる。負荷との整合問題はまだ結論に至っていない。しかし昨年、特性インピーダンスとエネルギー伝送特性 (2019/10/6)および分布定数回路空間の世界 (2019/10/14) で電気回路空間の意味が見えてきた。

電磁エネルギーと特性インピーダンスZo。

電磁エネルギー w(r,t) [J/㎥] が光速度 co= 1/√(μo εo) [m/s] で伝播する。そのエネルギー流を電界とか磁界と言う概念で解釈する手法が所謂電気磁気学の理論である。そのエネルギーは上の(6)、(7)式の意味である。空間の特性インピーダンス Zo=√(μo/εo)[Ω]によって電界と磁界の関係が変換できる。

まとめ。電気磁気学と言う理論物理学の一つの分野は自然科学の理論体系を形作る基幹分野となってきた。しかし、今それも所謂『パラダイム』と言う一つの現代社会の仮想的科学論の姿でしかないと言わなければならなくなってしまった。自然は単純で、純粋でしかも見え難い複雑性を秘めたものと言える。電気回路で、懐中電灯の物理現象は電池からの電線で囲まれた線路空間しか電気エネルギーは通らないと感覚的に捉えなければならないのだ。しかし、そこに科学技術論として、『オームの法則』がある。決して電線の中に『電流』も『電子』も流れるような現象は自然の世界にはないことを解ってこそ、その法則の偉大な意味がより深く理解できるものと言える。その意味で、30数年前に勉強させて頂いた有名なマックスウエルの電磁場方程式の意味をエネルギー伝播現象として、その電気概念を紐解いてみた。上手く出来たかどうかは分からない。

文献(1) 金澤 喜平: 力密度 f=rot(S/v)とベクトル算法 日本物理学会講演概要集 第1巻第2号第2分冊。 p.196.(2006.9.24)