EMANの物理学 過去ログ No.10760 〜

 ● 直流も交流も光子がエネルギーを伝えてる?

  投稿者:zuruneko - 2011/04/13(Wed) 21:45  No.10760 
はじめまして、zurunekoと申します。長文ですが失礼します。
工学屋から見ると直流も交流も同じ電気現象なのですが
直流は導体中の電子の移動による。
交流は、導体をガイドとして空間を伝わる。(導体の表面も流れる)
直流は、導体中を流れるけど、周波数が高くなると
表皮効果といわれるように、空間にとびだそうとする力が強くなり、導体の表面に近いほど
電流が多く流れる。
別の言い方をすれば、導線も有限の太さを持っているので
導体の径方向の中心にいくほどインダクタンスが高くなり
電流は外側に追い出されるということになります。
理学者のかたからみれば、インダクタンスという概念は
工学的概念であいまいだと言う方がいらっしゃるかもしれません。
脱線しましたが、直流からだんだん周波数を上げていくことを考えます。
直流から交流に切り替わる瞬間というのは、数学的な世界のみの話
になると思うんですけど。
ものすごく低い周波数、0.0000000・・・01Hz
の交流もSIN(Wt)であらわすとすると
時間0で振幅が0、時間が経過すると、ほとんど0に近い振幅が
永遠に近いくらいつづいてさらに永遠がつづいて振幅1になり
・・・って考えると
振幅の変化は、ほとんどないから直流とみなせるようで
交流なのでって考えることができると思うんです
そう考えると、直流と交流は、同じ現象のはずだって
思えてくるんです。
交流は、電磁波がエネルギーを伝えている。
また、電子がエネルギーを伝えているようにも見える。
どっちが本質かは、にわとりが先かか卵が先かみたいな。
直流は、電子がエネルギーを伝えている。
直流では電磁波にあたるものはないんでしょうか。
KAFUKAさんとの議論でそれは光子だと言う話になりました
交流における電磁波といっているものは、光子ということになります。
長くなりましたが、直流と交流を区別しないで、考えた場合
その現象は、光子によるものと考えていいんでしょうか?
理学の方には、馬鹿な質問だと思われるのですが、
よろしくお願いします。古典電磁気学で、直流と交流は別の理解の仕方
をしたほうが良いと考えられていて、量子電磁力学などが
でてきて、光子ということで、統一的理解になったんでしょうか?


  投稿者:hirota - 2011/04/14(Thu) 10:01  No.10761 
別に量子電磁力学まで行かなくても、任意の電磁場をフーリエ変換みたいに平面波で展開すれば
「平面波=光子」で解釈できるということです。
これは表し方の一つなので、不便な場合でも無理に使う必要はありません。

  投稿者:甘泉法師 - 2011/04/14(Thu) 12:08  No.10762 
こんにちは。

>直流は、電子がエネルギーを伝えている。

回路を電流がながれる際のエネルギーの具合については、少し過去のスレッド
◆ 気をつけること
[10261] 01/17(Mon) 19:09 甘泉法師
がご参考になるかもしれませんのでご紹介します。

>交流は、電磁波がエネルギーを伝えている。

交流電流は電磁波を発生させるのだったでしょうか。
そうならばそれはどこに生じるのでしょう。上記のスレッドに出てきますポインティングベクトルとは無関係でしょうか。

=甘泉法師= 

  投稿者:zuruneko - 2011/04/14(Thu) 21:02  No.10763 
hirotaさん>
さっそくの回答ありがとうございます。
任意の電磁場をフーリエ変換したときに、周波数0の成分(直流分とよばれている)を含む場合があると思いますが、
その成分も平面波と考えるということでしょうか?
甘泉法師さん>
回答ありがとうございます。
◆気をつけること◆のスレッドは、見てみましたが、まだ全部おいかけてないです。
ちなみに私は数学力がないので数式はおいかけてません。
http://www.phys.u-ryukyu.ac.jp/~maeno/cgi-bin/pukiwiki/index.php?%C0%C5%C5%C5%A5%A8%A5%CD%A5%EB%A5%AE%A1%BC%A4%CF%A4%C9%A4%B3%A4%CB%A4%A2%A4%EB%A1%A9
でのやりとりを見たあと、直流も交流も、導線のまわりの電磁場がエネルギーを伝えてると考えるようになりました。
ポインティングベクトルについては、電磁波のエネルギーを表していることぐらいしかわかりません。
電気工学では、深くつっこんでる教科書はあるのかもしれませんが、出会ってません。
ポインティングベクトルは、マイクロ波送電の原理かと思います。結局、電磁波=エネルギーかなあと思います。
直流では、電磁波は発生しないことになっていますが、だとすると、直流送電におけるエネルギーを運んでいるものは何かなあと
再び疑問に思います。ということで、それが光子かなあと思ったりします。

  投稿者:kafuka - 2011/04/15(Fri) 02:28  No.10764 
>zurunekoさん

電流は、荷電粒子の流れですが、電子に限らずイオンでもいいです。
その荷電粒子の電磁エネルギーは、どこにあるか?
これは、粒子内ではなく、空間全体にあります。
以下は、前野先生の解説です。
http://www.phys.u-ryukyu.ac.jp/~maeno/cgi-bin/pukiwiki/index.php?%C0%C5%C5%C5%A5%A8%A5%CD%A5%EB%A5%AE%A1%BC%A4%CF%A4%C9%A4%B3%A4%CB%A4%A2%A4%EB%A1%A9

で、電流には直流と交流がある、、、という分け方ではなく、
荷電粒子が等速度運動している「流れ」か、加速度運動している「流れ」か と
考えた方が、いいと思います。
「荷電粒子」が等速度運動していれば、
電磁場Aの x、y、z成分は 一定値 したがって、電磁波 つまり波は現れません。
加速度運動していれば、電磁波が現れます。

電磁場Aを量子化すれば、光子という表現になりますが、
これを、電磁波を量子化したものと考えてはいけません。
そう考えたから、「直流も交流も光子がエネルギーを伝えてる?」
という疑問を持たれたのでは、ないですか?

  投稿者:hirota - 2011/04/15(Fri) 12:12  No.10765 
周波数0も平面波と考えます。
それから、静電場は力を伝えるだけでエネルギーは伝えてません。
電場で荷電粒子が動いて初めてエネルギーが伝わります。
つまり、周波数0の静電場はエネルギーを伝えず、周波数0の光子はエネルギー0ですが、
でも静電場にはエネルギーがあります。
不可解ですねー。(このへんは古典論と光子を整合させるのは無理かな?)
それとも、静電場でも量子論的揺らぎがあるから・・と言えばよいのかな。

  投稿者:kafuka - 2011/04/15(Fri) 19:38  No.10766 
>周波数0の光子はエネルギー0ですが、でも静電場にはエネルギーがあります。
啓蒙書には、静電場の源となる電荷が仮想光子を吐いたり吸ったり しており、
そのトータルが、静電場である
とあります。
したがって、「そのエネルギーのトータルが、静電場のエネルギー」ということになりそうです。

「仮想光子を吐いたり吸ったり」では、はっきりしませんので、
TOSHIさんの記事を引用します。
(コピペでは、SUPタグやSUBタグが落ちて見にくいですが)
http://maldoror-ducasse.cocolog-nifty.com/blog/2009/06/3-lautrap-2191.html
縦波光子は非物理的状態であり,観測可能な状態ではないことがわかります。
したがって,スカラー光子と横波光子のみが物理的状態となる条件を満たす物理的粒子です。
  :
それ故,スカラー光子は,確かに質量がゼロの物理的粒子ですが,観測される確率はゼロという意味で閉じ込められるため,実光子ではなく仮想光子と呼ばれます。
相互作用(4元電流密度)がある場合には,運動方程式は,□Aμ−∂μ∂νAν−∂μB=□Aμ−(1−α)∂μB=−jμ(x)となります。
特に静電場なら,j0(x)=j0(x,t)=ρ(x)(電荷密度)だけがゼロでない成分で,時間変動はありませんから,∂0=∂/∂t=0 を代入すると,−∇2A0=ρ,∇2Ak=−(1−α)∂kBとなります。

−∇2A0=ρは,A0をφと書けば∇2φ=−ρです,

これから,静電ポテンシャルはφ(x)=−∫d3y[ρ(y)/(4π|x−y|)]で,静電場はE(x)=−∇φ(x)で与えられます。
<引用終了|
この場合のAを量子化したものが上のスカラー光子でしょう。
(普通の観測される光子は、ベクトルです)
余談ですが、計算が本当にそうなるためには、輻射補正を入れて繰り込まないといけないので、この計算は、
http://maldoror-ducasse.cocolog-nifty.com/blog/2011/04/1-7dc7.html
が参考になると思います(今の僕では、歯が立ちませんが)

結論を書くと、、、
直流=等速度運動する電荷のエネルギーの源泉(実体)は、スカラー光子であり、
普通に観測される光子ではない。


コピペでSUBタグSUPタグが落ちるのが、出てきたついでに、、、
(僕のプログラムの宣伝になり、恐縮ですが)
SUPタグやSUBタグを認識してTeX化するWebサービスを開発中です。
どんなものかの説明は、
http://blogs.yahoo.co.jp/kafukanoochan/64275611.html
URLは、
http://www.geocities.jp/rhcpf907/toshiediter/
です。

  投稿者:zuruneko - 2011/04/15(Fri) 20:12  No.10767 
Kafukaさん>
電荷が等速運動、電荷が加速度運動という理解をすればよいということですよね。
>電磁波を量子化したものと考えたのでは?
電磁波を光子と思うことについては、ボクの頭が何の疑問を持たずに受け入れました。
電磁波も物質も波(のようなもの)で粒子(のようなもの)だと天下り的に受け入れてたからです。
量子の世界の話は、正しいのだろうと信じているからですね。
光子を電磁波を量子化したものと考えてはいけませんということについては
了解しました。ありがとうございます。
>hirotaさん
>周波数0も平面波と考えます。
はるか過去からはるか未来まで一定値をとる平面波と考えればいいのですね。
>周波数0の光子はエネルギー0ですが、でも静電場にはエネルギーがあります。
電池と抵抗を導線でつないだ場合(電場で荷電粒子が障害物にぶつかりながら統計的に一定速度で動く場合)
は、電気工学では、定常電流界といい、これは工学的なマクロな世界の表現だと考えます。
真空中であれば荷電粒子は電場で加速され、さらにその荷電粒子の作る場も影響して、空間電荷制御状態といい
加速度はqE/mよち小さくなり電流は電圧の1.5乗に比例するという経験値がえられてます。
静電場に荷電粒子を置くと、場からエネルギーをもらい運動エネルギーを得る
この運動エネルギーが抵抗で光という電磁波のエネルギーにかわると。
電球を光らせているのは、電場で加速された荷電粒子の運動エネルギーなのかな。
結局直流は、荷電粒子の運動エネルギーが負荷で消費されるということなような気がしてきた。
でも、同時に導線の周りの空間をエネルギーが移動しているわけですよね。
直流電流というのが、マクロなもので、ミクロにみると直流というのは、ありえないのかもしれないですね。
電荷も1.6x10e-19[C]の整数倍ですし。光子ってそもそも光を粒子としてみると説明がつく現象があるということでした。
文章になってないですが、光子にこだわる必要はないという気がしてきました。最後にhirotaさん回答ありがとうございます。

  投稿者:kafuka - 2011/04/15(Fri) 20:49  No.10768 
すいません。他の方に誤解を与えるといけないので、、、

>電磁場を量子化すれば、光子という表現になりますが、
>これを、電磁波を量子化したものと考えてはいけません。
という意味は、
電磁場を量子化すれば、横波光子、スカラー光子、縦波光子という3種類の光子の状態がでてきます。
この内、電磁波に対応するのは、横波光子の状態なので、
それだけ(電磁波だけ)では、片手落ちという意味です。

僕なりの結論を書くと、、、
直流=等速度運動する電荷のエネルギーの実体は、スカラー光子であり、
普通の(観測可能な)光子ではない。
じゃ、50Hzや60Hzの交流電流が、例えば100Wの電力を供給しているとして、
これが、すべて、横波光子=実光子だけで補われているかと言えば、おかしいですね。
(50Hzや60Hzの電波の100Wとは、違いますから)
この場合もほとんどがスカラー光子と思います。
でも、時間変動するスカラー光子って、?です。

>直流は、荷電粒子の運動エネルギーが負荷で消費されるということなような気がしてきた
ですが、横から失礼とは思いますが、、、
+極付近の荷電粒子の速度と−極付近の荷電粒子の速度は、同じはずです
(でないと、途中のどこかに滞留することになる)
したがって、運動エネルギーは、電磁場のエネルギーの媒介になっているけど、
始め持っていた運動エネルギーが、負荷で消費されているわけでは、ないです。

  投稿者:kafuka - 2011/04/15(Fri) 22:29  No.10769 
>甘泉法師さん、ASAさん

◆ 気をつけること についてですが、
こう考えてはどうでしょう。
□A=0 なら、ポインティングベクトルは、意味を持つ
□A≠0 の場合、スカラー光子が運ぶ分については、ポインティングベクトルは、意味を持たない

理由は、スカラー光子は、決して観測されないから、それの計算上のエネルギー流密度も、観測されない 
ことで附合するので。
(こじつけでしょうか?)

  投稿者:甘泉法師 - 2011/04/15(Fri) 22:57  No.10770 
こんにちは。

電磁波以外の電磁場を光子場としてどうみるのかは過去のスレッド

● 点電荷の静電場 と 光子
  投稿者:甘泉法師 - 2009/09/12(Sat) 23:30 No.7649

で理解を試みたのですがまだ理解途上です。

=甘泉法師=

PS 
中西 襄先生による昨年1月の科学カフェ京都 
http://ameblo.jp/kagaku/entry-10778219581.html
の「観測にかからない縦波の光子」について質疑応答の15分〜45分くらいの議論を興味深く視聴しました。 ご興味ある方におすすめします。

  投稿者:zuruneko - 2011/04/20(Wed) 19:39  No.10778 
>kafukaさん
電磁波じゃなくて、電磁場が、光子なのですね。
電荷が等速度運動するときは、スカラー光子(観測にはかからない)
電荷が加速度運動するとき横波光子
あと、電子管の例で、電子の速度が、陰極近くと陽極近くで
速度が違う書き方をしましたが僕の思い込みで
確かに同じ速度でないと停留してしまいますね。
申し訳ないです。
電子管の場合の電子の密度速度は、その先につながる抵抗の値で決まってきそうですね。
マクロな電気現象は、電磁気学で十分ですね。
光子をもちだす必要性はないと思いました。
ありがとうございます。
>甘泉法師さん
直流も交流も、エネルギーは導線のまわりの空間を伝わるということでよさそうですね。
リンクの動画みました。
直流も交流も導線をガイドにエネルギーを伝え、交流では、共振導体をつなげば、エネルギーは導線から遠ざかって効率よくとびだしていくということでしょうね
ありがとうございました。

  投稿者:甘泉法師 - 2011/04/20(Wed) 20:27  No.10779 
こんにちは。 本題でないことですが気になったので

>電子管の例で、電子の速度が、陰極近くと陽極近くで
>速度が違う書き方をしましたが僕の思い込みで
>確かに同じ速度でないと停留してしまいますね。

 真空中を電子が加速され時間がたつほど(陽極にちかづくほど)速くなりますよね。 陽極に衝突してエネルギーを熱に解放して、それまでの導線中の電子の速さ( 電流密度が導線内で均一とすれば、電流アンペア/ (導線材の伝導電子数密度*電子の電荷*導線の断面積) )にもどります。 滞留はしません。
 たとえると、滝の落ち始めと滝つぼに落ちる直前で、水の速さは後者が大きい。川の滝の上流と下流で流れる水量は同じ。ふたつが両立します。

=甘泉法師=

  投稿者:zuruneko - 2011/04/22(Fri) 22:33  No.10780 
空間電荷制御管(真空管)については、調べたのですが陰極付近と陽極付近の速度に言及したものは
みつけられませんでした。ブラウン管の電子ビームは、陰極から陽極に達するまで加速されて
メタルバックに当たってX線をだしてっていうとこが、電球が光るのと同じで抵抗成分に
なってる気がしますね。この抵抗成分で、電流が決まって、電圧と電流がオーム則にしたがわない
ということのような気がしてきました。ちなみ、電球の場合伝導電流といい、真空管のような場合
対流電流というようです。電球の場合も、温度で抵抗値が違いますから、厳密にはオーム則に
したがいませんよね
物理じゃなくて、電気工学になってしまいました。すいません。

  投稿者:hirota - 2011/04/22(Fri) 23:09  No.10781 
温度で変化しても「電圧=電流×抵抗値」というオーム則に従うから抵抗値と言うんじゃないかな?

ブラウン管の電子ビームは陰極から出た時に電流 (時間毎の電子数) が確定してるから、
その後の事は加速されようがX線を出そうが電流に影響は無いでしょう。

  投稿者:zuruneko - 2011/04/22(Fri) 23:42  No.10782 
電圧を変えても抵抗一定の場合をオーム則が成り立つとしていました。
すいません。
電球が光ったり熱をだしたりというのは電磁波というエネルギー
をだして、それが抵抗という形で電流をきめていると考えるようになりました。
VI=RI^2単位時間あたりのエネルギーですね。
ブラウン管の場合も蛍光体を光らせたり、X線をだしたりという電磁波というエネルギーをだして、それが電流を決めていると考えたのですが、確かに
陰極を電子がでるときは、陽極にあたってどれだけのエネルギーを放出するか
未知のはずですから、hirotaさんのおっしゃる通り、X線をだそうが電流に影響ないと考え直しました。でも、X線の放射量が違う2つのブラウン管は、陽極陰極間にかかってる電圧が同じだった場合、電流が同じになるのかな?
エネルギー保存則から、X線放射量の多いブラウン管のほうが電流が多い気がする。と思ったけど、X線の放射量は陽極の材質によらないのかもしれない。
つまり、かけてる電圧が同じなら、必ずX線の放射量は同じなんでしょうね。

  投稿者:hirota - 2011/04/23(Sat) 04:14  No.10783 
電圧が同じでも陰極の性質によって飛び出る電子数は違う。
電圧が同じなら電子1つのエネルギーは同じ。
同じ電子ビームでも陽極の材質によって特性X線は違う。
X線スペクトルが違うのに放射量が同じとは思えない。

  投稿者:zuruneko - 2011/04/23(Sat) 13:03  No.10784 
了解しました。ありがとうございます。
ブラウン管の場合、電球より現象は複雑ですが、エネルギーの収支があうように電子は動く。
このとき、周辺の電磁場が必要なエネルギーを運んでいると考えます。

  投稿者:hirota - 2011/04/23(Sat) 18:17  No.10785 
X線の発生は電子の運動エネルギーです。
オーム則が成り立つ電流とは違って、電子の運動エネルギーは無視できません。

  投稿者:zuruneko - 2011/04/24(Sun) 11:22  No.10786 
ありがとうございます。勉強になります。
電子の運動エネルギーと電流の運ぶエネルギーは、別に考えるということで
よろしいでしょうか?
質問ばっかりで申し訳なく思っております。
回答のためにいろいろ調べていただいていたら、ありがとうございます。
めんどうだとお思いであれば、無視してかまわないと私は思っております。
滝の例でいうと、X線の放射は、滝壷を削ることに相当し、電流は、川の流れ
ということかなあと思っております。滝となって落ちることによって加速された
水流は、滝壷を削ることで減速し、下流の流れは上流の流れと矛盾しないように
流れていくという感じです。

  投稿者:hirota - 2011/04/24(Sun) 17:58  No.10788 
別に調べてるわけではないですよ。(変な所を見つけたら思わず突っ込んでるだけ)
滝の例で言えば、周辺の電磁場が重力場で、電流は川の流れ、
電子の運動エネルギーが水流の運動エネルギー、X線の放射は滝壷を削ることに相当します。
ところで、電流の運ぶエネルギーとは何を指してるんですか?
周辺の電磁場が運ぶエネルギーと電子が運ぶ運動エネルギーがありますが、
電子の運動エネルギーと電流の運ぶエネルギーを別に考えるということは、
電流 (電子の運動) の運ぶエネルギーとは電流の運動エネルギーじゃなくて
周辺の電磁場が運ぶエネルギーのことですか?

  投稿者:zuruneko - 2011/04/24(Sun) 19:36  No.10789 
まさにその通りです。電流の運ぶエネルギーというのは、周辺の電磁場が運ぶエネルギーです。
電場と磁場が運ぶエネルギーのつもりで書きました。
指摘のように不適切な言葉でした。