電磁誘導の原理の元発見 |
by Ichiro Nakayama フォロー中のブログ
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2021年 09月 05日
1 要約 閉じた導線に磁石を近づけたり遠ざけたりすると導線に電流が流れる。この電流を流す起電力は、磁束の時間変化に等しい。また電流が流れると導線の周囲には磁場が発生する。この電磁気現象は、電磁誘導として精密に構築された電磁気学の基本となっている。ところが電子レベルの動きとして検証できない。その理由は、電磁気学に「粗視化による連続体近似」と言う技術が使われているからである。また、ミクロの世界を扱う量子力学にしても、まだ素粒子の本質を捉えていないためである。素粒子とされるクォークは、過渡的な理論となるであろう。そこで、素粒子の姿を描き出しているエネルギー体理論を適用したところ、量子の世界である電子の姿と姿勢がそのままマクロの世界の電磁誘導現象として現れることを明確に示すことができた。磁場の時間変化と起電力が等しくなるのは、磁石中の電子の回転する波動が、導線中の電子の回転する波動に直接接触しているからである。これにより、導線の周囲に磁場が発生する原因とその方向、電流の速度及び電磁波が光速度である理由などが模型から導き出される。そしてマクスウェルの4つの方程式は、更にシンプル化できることが見込まれる。 2 クーロンの法則 2つの荷電粒子は互いに引力あるいは斥力を及ぼす。この力は電荷量の二乗に比例し、距離の二乗に反比例する。これをクーロンの法則と言い、次式で表される。 Fをクーロン力、kをクーロン定数と言う。クーロン力が働くのは、荷電粒子の周りに電場ができるためである。力は場を介して作用すると言う考え方である。これを近接作用と言う。これに対し、Newton の万有引力の法則(Newton 力学)では、2つの物体間に力が直接働くとする考え方で出来ている。これを遠隔作用と言う。場の考え方は、ファラデーが考案した。電荷は,電場や磁場がある空間から電気的な力や磁気的な力を受けると考えるもので,力の作用は瞬時に伝わるのではなく,有限の速さで伝わる。クーロン力は静止している2つの電荷の間に働く力である。運動している電荷には厳密には適用できない。 3 ローレンツ力 運動している電荷が、電場から受ける電気的な力と磁場から受ける磁気的な力を合わせて ローレンツ力と呼び,次式で表される。 q は電荷,E は電場、 B は磁束密度,v は電荷の速度である。(× はベクトル積を表す。) 電荷が運動すると電流が生じ、電流の周りの空間に磁場が作られる。運動する電荷は、その磁場からも力を受ける。磁場の強さと方向は、アンペールの法則とビオ・サバールの法則から導かれる。図1 電磁場にある荷電粒子は、電磁場から力を受ける。このとき荷電物体をその場の源という。 電場の強さを決めるのは荷電の大きさである。この力が電磁力である。力を媒介するのは光子である。電荷の符号が正負であれば引力となり、正正又は負負であれば斥力となる。電磁場はエネルギー、運動量、角運動量をもつ物理的実体であり、物質と相互作用する。電磁場は、電場、電束密度、磁場、磁束密度の総称である。電束密度や磁束密度が時間的に変化する場合には電場と磁場とは互いに他を誘起し、また互いに移り変わるので、もはや電場と磁場を別々のものと考えることはできなくなる。このような場合にとくに電磁場(または電磁界)という語を用いることが多い。他方、時間的に変化しない場合には電場と磁場はそれぞれ静電場、静磁場ともよばれ、別個に記述することができる。(日本大百科全書) 4 電磁誘導 4.1 狭義の電磁誘導 回路を貫く磁束が時間的に変化すると回路に電流が流れる。図2のように、導線に磁石を近づけたり離したりすると、導線に電流が流れる。また、導線の周囲には、磁力線の動きを妨げる方向に磁場が生ずる。 図2 図3は、マクスウェル方程式の一つである。電場の線積分(起電力)は、磁束密度の線積分(磁束)の時間微分に等しい。つまり、磁束の変化が起電力であることを表している。 4.2 広義の電磁誘導 今度は、図2と逆に、導線を磁石に近づけたり離したりしても導線に電流が流れる。図4つまり、磁場が時間的に変化しなくても、磁場が存在する場所で回路の一部が動くと、その回路に電流が流れるのである。 この場合には、ローレンツ力に起因する起電力が生じると考えることが出来る。図5のようにローレンツ力から、「磁束の変化が起電力である。」こが導きだせる。 5 エネルギー体理論 5.1 粗視化による連続体近似 電磁誘導をエネルギー体理論で説明するため、図6を用意する。磁場は、表の姿勢の電子と裏の姿勢の電子の回転する波動の裾野がペアとなって磁場を形成する。なお、電子単体であっても、電子の回転する波動が、電場と垂直方向にずれると磁場として認識される。電場とは、陽子の回転する波動と電子の回転する波動がペアとなったものである。ここで、特に注意しておきたいのが、電磁気学では、「粗視化による連続体近似」と言うテクニックが使われていることである。つまり膨大な数の電子又は陽子の集まりを巨視的な目で眺めて連続体として再認識することである。そのため例えば、電荷は点電荷であり、電場は点電荷から放射状に広がっていると考えることが出来るのである。そして電磁気学の基本であるマックスウェル方程式もこのテクニックの上にできている。ところが、エネルギー体理論では「粗視化による連続体近似」のテクニックを用いず、個々の素粒子の姿と姿勢をそのまま使い電磁気現象を分析し説明している点が異なる。エネルギー体理論では、電子と陽子の姿、つまりエネルギー細胞体が、自軸を中心に膨張と収縮を繰り返しながら位相をずらしながら回転する波動が、巨視的に捉える電磁気現象の性格を形成していることを看破したからである。電磁気学では、電荷の基本単位である1クーロンを次の様に定義している。 図7は、磁石と磁石が作る磁場をエネルギー体理論の電子模型で描いたものである。磁石内の電子は、表側の電子と裏側の電子がペアとなって偏向した姿勢をとり、NS極を作る。 5.2 導線中の電子にかかる力 閉じた導線に磁石を近づけると、導線中の電子は、磁石の磁場の影響を受けてその姿勢を変化させる。導線中の電子が姿勢を変化させる原因となる力は、次の3つがある。この3つの力を合わせた合力が、電磁誘導を引き起こすことになる。 1.磁石の動きに直接連動する力 2.電子を移動させる力 3.電子を回転させる力 磁界は、磁石中の電子がある偏向した姿勢に揃った状態である。そのとき、電子は表側と裏側の姿勢でペアとなって偏向している。電磁気学で言う磁界の方向は、エネルギー体理論の電子模型では、電子の回転する波動の方向である。電子を正面から見ると、波動が円盤状に広がっている。側面からみると、粒子部を除きほぼ線状の形をしている。電磁気学で言う磁力線は、このエネルギー体理論の電子模型の側面を1本の線で表現したものに相当する(粗視化による連続体近似のため同じではない。)。電磁誘導は、磁石中の電子(回転する波動)と導線中の電子(回転する波動)が、相互作用して色々な姿勢と動きをすることにより引き起こされる現象である。この様に電子は色々な姿勢を取るが、電磁誘導の説明には、導線内の典型的な2つの電子の姿勢を検討すれば足りる。すなわち、電子の進行軸が上向きの電子とした向きの電子である。それでは先ず、導線中の電子に加わる3つの力について個別に説明し、その後実際の電子の動きを検討する。 1 磁石の動きに直接連動する力 磁石中の電子の回転する波動の広がり面が、磁場として導線に到達すると、導線中の電子の広がり面と接触する。この結果、導線中の電子は、磁石の接近・離脱の動きに合わせて上下する。図8は、磁石が接近して、導線内の電子が持ち上げられる様子を描いている。 2 電子を移動させる力 磁場の中に置かれた導線中の電子は、その回転する波動の広がり面を磁場と平行となる姿勢(電子の広がり面の中心が、手前側から奥側へ向かう軸上にある姿勢)を取る。そして、磁場(磁石中の電子の回転する波動の広がり)と相互作用する。図9のように、導線中の電子の回転する波動の進行方向は、電子の前後(又は左右)で逆方向となる。このため、一方で磁場の方向と同じ方向となり引力が生じると、片方では必ず逆方向の斥力が生じる。この引力と斥力は同じ方向を向くベクトルなので、電子はベクトルの方向に移動する。なお、この場合電子は、運動エネルギーは伴わない。 3 電子を回転させる力 磁石の接近・離脱により、磁場である磁石中の電子の回転する波動が、導線中の電子の回転する波動に影響を与えて、電子には回転トルクが生じる。この電子にかかる回転トルクは、磁石のN・S極、接近・離脱と電子の回転する波動の方向により異なる。図10は、その全ての場合を描いている。 ア. 磁石のN極側、S極側に拘わらず、また磁石の接近・離脱にも拘わらず、磁石の磁場が電子に接近する側にエネルギーの上昇又は下降が現れる。 イ. 磁石の磁場の方向と電子の回転する波動の方向が、異なる場合はエネルギーの上昇による斥力、同じ場合はエネルギーの下降による引力が働く。 5.3 狭義の電磁誘導 回路を貫く磁束が時間的に変化すると回路に電流が流れる。磁束の変化には、N極が近づく場合、遠ざかる場合、S極が近づく場合、遠ざかる場合の4形態が考えられる。 5.3.1 N極の接近 〇導線の周囲にできる磁場 導線内の自由電子は、磁石の作る磁場との相互作用により、進行軸の方向が磁石側にある電子とその反対側にある電子により、導線のA側に進む電子とB側に進む電子に分かれる。図11のとおり。A側に進む電子もB側に進む電子も、電子の左右で垂直方向(上方または下方)に働く力により、姿勢を回転させながら磁石方向(下方)に進む。電子の姿勢(回転する波動の広がり面)は、導線に対して垂直となる。つまり、電子の回転する波動が導線の周囲にできると言う訳である。これが電流が流れると導線の周囲に磁場が現れる原因である。 この時重要なのが、磁石中の電子の回転する波動(奥向き)と導線中の電子の回転する波動(手前向き)間で斥力が働くことである。その結果、導線の周囲にできる自派は、磁石の磁力線の動きを妨げる方向になるのである。 〇導線を流れる電流 一方、電流はどうか。電子がA側とB側に動く数は同じ確率と考えられる。これでは、電流は流れない。実は、電子はほとんど動かないのである。多くの場合、電流は電子がマイナス極からプラス極に移動することと説明されている。私も、今までこのイメージに沿った解析を試みていた。しかし、やっとそこから離れることが出来た。電流における電子の移動速度は、カタツムリよりも遅いのである。そして今回の解明である。今回の研究により、電流は、電子の移動ではなくて、電子の姿勢の回転が、伝播していくと言うことが明らかとなった。そして、その伝播は磁石が作る磁界内だけでなく、磁石の磁界を外れた遠くまで届くのである。更に大事なのは、磁石を動かすエネルギーが、電子の姿勢を回転させるエネルギーに等しくなる点である。つまり、磁石の運動エネルギーは、そのまま電流の持つエネルギーに等しいのである。 ア 電流は、電子の回転する波動の広がり面が、導線の直角方向に傾く動きである。またその動きが導線内の全ての自由電子に伝播する現象である。 イ 電流の持つエネルギーは、磁石を動かす運動エネルギーに等しい。 5.3.2 N局の離脱 N極の接近により、導線に垂直となった電子の姿勢は、N極の折り返しにより、一旦導線と水平方の元の姿勢(進行軸が上と下)に帰る。そして、N極の離脱が始まると、今度はN極の接近と逆の回転の力が働いて、磁石中の電子の回転する波動(奥向き)と導線中の電子の回転する波動(奥向き)間で引力が働く。こうして、磁場が減少するのを妨げる方向に導線の周囲に磁場が出来る。 5.3.3 S局の接近 N極の接近と基本的に同じである。 5.3.4 S局の離脱 N極の離脱と基本的に同じである。 5.4 広義の電磁誘導 閉じた導線に磁石を近づけたり、遠ざけたりすると導線に電流が流れる。これを狭義の電磁誘導と言う。逆に、閉じた導線を磁石に近づけたり、遠ざけたりしても導線に電流が流れる。これを広義の電磁誘導と言う。この時の起電力は、前者はマクスウェルの方程式、後者はローレンツ力から求めることが出来る。 異なる現象にも拘わらず゜、同じ結果が得られる理由は、次のとおりである。 図15から、磁石を近づけるときも、導線を近づけるときも、電子に同じ回転トルクが現れることが分る。導線を動かすとき、導線中の電子には運動エネルギーが伴う。しかし、回転トルクの大きさには差が出ない。回転トルクを生じさせるエネルギーが起電力である。従って、両者とも磁場の時間変化が起電力となるのである。なお、導線内の電子は、導線と言う慣性系にあるとも言える。 6 誘電率 磁石中の電子の回転する波動は、導線中の電子の回転する波動に接触し、互いの波動の方向により相互作用する。磁石が導線に近づくと、磁石中の電子の回転する波動が、その動きに対応して導線中の自由電子を動かす。このとき、磁石中の電子の回転する波動と導線中の電子の回転する波動は、波動の進行方向により相互作用する。この力により、導線中の自由電子は、その姿勢を導線と直角方向に回転させるのである。この磁石中の電子の回転する波動と導線中の電子の回転する波動が相互作用して、電子の姿勢が変わるのである。この相互作用時に、電子の回転する波動には「しなり」が生じる。この「しなり」が「誘電率」である。勿論導線中の他の電子に姿勢の変化が伝播する時にも、この「しなり」が生じる。「誘電率」に「透磁率」を掛けると光速度となる。つまり、電磁力は光速度で伝播するのである。また、電子の運動エネルギーが、電子から分離したものが光子である。電流の考察からも、電磁力の伝播が、エネルギー体理論の光子模型と一致することが分る。 7 結論 磁石の接近と離脱により閉じた導線に電流が流れる現象は、導線中の電子に回転トルクが現れることが原因である。この回転トルクがが誘電率であることが分った。また、電流が流れる現象は、電子の移動ではなく、回転トルクによる電子の姿勢が回転し、その動作が伝播することであることが分った。電子の姿勢が回転するとき、その回転する波動に「しなり」が生じる。このしなりの回復が光速度である。このしなりは、電子及び光子(電子に付随する運動エネルギー)とも同じである。従って、電流は光速度で伝播するのである。また、導線の周囲に磁場が出来るのは、回転トルクにより、電子の姿勢が傾くことが原因である。
by TheoryforEvery
| 2021-09-05 22:33
| ★エネルギー細胞体
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