電池、導線、抵抗の簡単な直流回路でエネルギーはどこを流れるか・・・・ こういう問題は中学の理科・高校の物理・大学の電磁気学・電気回路論などで一度も出てきたことはないしワタクシは考えた事もない。どや。
多くの人はエネルギーは導線の中を伝わると漠然と考えているであろう。ワタクシもそうであった。この直流回路については水タンクの比喩がある。水量が多い = 電圧が高い、水道管が太い = 抵抗が小さい。 なるほどなあ。。。。 そして、これは比喩だが、ほんまにそうかもと思うボンクラも多数いてな(笑)
しかし水タンクモデルは交流を説明できない。ま~破綻が早い。
手なことを考えながら検索していて次のサイトを見つけた次第である。
https://www.abc.net.au/science/articles/2014/02/05/3937083.htm
It's the beginning of another school year, and another crop of year 9/10 students is about to not get the hang of what electricity is all about, writes Bernie Hobbs.
9学年、10学年というのは日本では中学生か。
記事の趣旨は水タンクなど持ち出さずに電場・磁場を初めから教えろという取るようだ。
And the current flows because an electric field pushes electrons through the wire in one direction. No waterfalls required.
waterfall = 滝だが、ま~そこは水タンクと同レベルの意味だとお察しください。
というわけで、こういう図解

上 電場
中 磁場
下 エネルギーの流れ(Energy Flow)
ま~しかし、ここのEnergy Flowは電磁気学でのPoynting Vectorの事であり、これは大学の電磁気学ででてくるものであるので中高生には向かないのではなかろうかと思うでございますじゃよ。
ところでワタクシはこれが理解できているかというと十分に怪しい。このモデルで導線も実物、つまり小さいが抵抗があるものと考えると、導線の表面から導線の中心に向くPoynting Vectorもある。それがジュール熱に変わる。図では表記はない。
Poynting Vectorは空間に分布する電場・磁場によるものなので図では回路の内側だけに書いてあるが外部にもある。
電場も図では内側だけ書いてあるが外部にも分布している。図の右側からもGlobeにPoynying Vectorが入るのだよよん。
ここらも含めて描くと別のサイトにある図になる。
http://amasci.com/elect/poynt/poynt.html
こういうの中高生には向かないわな。
ところでワタクシは図を見て疑問だったので書く。右側のグレイの長方形が抵抗である。左からPoynting Vectorが8本抵抗に流れている。右側にも8本が流入している。そこだで。
左側の方が密度が高いので抵抗の発熱に分布が出来るのではないかと考えた。だが、ここらは冷静に考えると右側のPoynting Vectorは左側よりも広い空間から流れてくる。よってに左右の8本でエネルギーは等しいってことになりそうだ。
抵抗を円筒形とすれば表面でのPoynting Vectorに表面積を掛けるとVIとなる。Vは抵抗両端の電圧。オームの法則と同じになるのである。
うーーむ。
しかし、エネルギーってなんだろな。この四角のループの中にPoynting Vectorがあるのだから、エネルギーが流れている・・・・として、それを検出できるのか?
電場・磁場があるので検出するためには電荷があればよい。試験電荷を置けば電場から作用を受けて動く。すると磁場中の試験電荷の運動によりローレンツ力が働く。。。。 だが、それは電場・磁場の検出であってエネルギーではない。
ここら考えたがイマイチ。
そこでワタクシはPoynting Vectorの検出装置は導線であり負荷抵抗である、と妄想した。つまりは電気回路はPoynting Vectorの検出装置なのである。
高橋秀俊・電磁気学では、エネルギーは等電位線に沿うPoynting Vectorによって流れハリガネに吸収される、と書いてあった。
ところで電気回路としては負荷電力は I2R = V・I である。Vは抵抗両端の電圧ね。中高レベルではこれで終わるのでスッキリでした!! 電場、磁場は出てこない(笑)
この問題はこのぐらいにしておこう。実用上はオームの法則で十分だし。たぶん。
おまけ 電場、磁場、振動数、電磁波 = 物理屋。
電界、磁界、周波数 、電波 = 工学屋(日常的)
posted by toinohni at 09:41| 東京 ☁|
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