sgm-san

エネルギー 力学との対応

電気系の話と力学との対応をもっと明確にしたい

(以下、まだ言説になっていない書きなぐり)

● 「エネルギー」 「電力」については、力学の「仕事」「仕事率」の定義に戻って対応を確認しつつ理解してほしい

力学 仕事=力x移動距離   
   (力と、それに伴って同時に発生する作用の結果の積)

電気 仕事=電圧x移動した電荷   QV    
   (これはCのことではなくてRのことである Q=∫Idt)

   仕事=電流x移動した磁束   ΦI    
   (これはLのことではなくてRのことである  Φ=∫Vdt)
   “移動した磁束”ってのもよくわからないなあ。

・Cまたは、Lをつけたときに、蓄積エネルギーはこの半分になる。なぜなら、例えばCならば、Qに伴ってVが増えていく。Vは最初は0。

・これは力学でも電気でも同じなのか?

・力学では、ばねー質量系ならば同じ形で書ける。単に動いている物体でも、運動エネルギーは同じ形になる。

ならば、そもそも運動エネルギーがなぜ1/2mv^2か? (一定時間の力をかける場合、もともと動いているほうが移動距離は長いので加えられたエネルギーは大きくなる→三角形に)

Webを見ると、高校物理あたりは、等加速運動の公式とやらが出てくる v^2-v0^2=2ax  これを使って運動エネルギーの式を証明している。

その元として、等加速度運動の変位の公式1/2at^2があったりする。また、F=maをこねくり回している。なんか、言い換えだけのように見えるが。「力x移動距離」だけで説明したい。

FΔt(力積)で運動量が変わりその結果、p^2/2m(エネルギー)が変わったとするほうがよい。横軸:速度、縦軸:運動量のグラフで三角形が書ける。

電気系ではQ^2/2C、Φ^2/2Lが対応付けられる。

・電源から見る 供給するエネルギーは、自分が出している電圧(または電流)x負荷が出してくる電流(または電圧)。一方だけでは決められない。

・負荷から見る 供給されたエネルギーは、電源が出している電圧(または電流)x自分が出している電流(または電圧)。一方だけでは決められない。

・Cを負荷と見立て、これに電源で充電することを考える

・電流源で、同じ電荷を注入するにしても、相手の電圧が高いほうがエネルギーが多く必要 電荷=電流x時間 電力=電流x電圧 エネルギー=電荷x電圧

★よくある言い方?

R  その高さから水を落として流す
C  電圧~ポテンシャル~高さ

電池はポンプ
コンデンサは大きなバケツ

電気がたまっている高さ、を実現するために
・ポンプでくみ上げる ~電池
・運搬する(小さいバケツで何度も) ~コンデンサに素電荷をためていく。Qに応じてV=Q/Cがあってそこまで持ち上げるための仕事が必要
  高さが小さいうちは楽だが、だんだん大変になってくる ⇒ ½QV 
・トランス 巻き数 N1,N2

1次側はアンペアの法則で発生する磁束のN1回重ね合わせ。2次側はファラデーの法則で発生する起電力をN2直列で取り出す。磁束を並列に重ねて、起電力を直列に取り出す。
(キャパシタを使ったチャージポンプと似ている)

●「仕事」とはエネルギー変換である。変換先のエネルギーとして、運動エネルギー、ポテンシャルエネルギーに加えて散逸熱エネルギーも含む。また、電池などは化学エネルギーというべきだろう。

・力x距離 ∫F・dr

とくにかくFのr方向成分の距離積分が仕事になる
だれもが、最初はこれを習っているはずなので、これを基礎にする。何かあったら必ずここに立ち戻れる

・ばね:F=kr
最初は力0。初めのうちは力なしでもrが変化できるが、だんだん力が必要になる。
三角形。Fmax x r の半分

これがバネを表すならばポテンシャルエネルギーを蓄積しているといえるが、式から言えるか?

・電界加速
∫qE・dr = qU  (U:電圧。速度vと紛らわしいのでVと書かない)
速度vとすると、運動エネルギー ½ mv^2 が qUだけ増加。

最初v=0だったならば、
½ mv^2 = qU    
v = √(2qU/m)

これが荷電粒子を表すならば運動エネルギーを蓄積するといえるが、式から言えるか?

散逸する場合と蓄積する場合のどちらも可能
ならば、力が作用した先は、何であってもよいといえる

・摩擦力でもよい
・別の物体の運動エネルギーでもよい
・ばねのポテンシャルエネルギーでもよい

電気系に対応させると、駆動~負荷を分離するカットセットにおける電圧と移動電荷から伝達されたエネルギーが導かれる。それが負荷において蓄積するか散逸するかは負荷の問題と片付けてよい。

●そもそも散逸とは何なのか

・自由度の多さが表に出てきてしまう現象か。摩擦はその例だろう。あと→も示唆的 Let it snow! (short version, 4K, crf 28) (youtube.com) ・「自由度」について考察してみると、エネルギー消費(変換)と散逸はイコールではないように思えてきた。ここを正確に説明する必要がある