遠くの豆電球に電力を供給する方法がやっぱり解りません

質問

太陽をぐるっと回るぐらいの長距離電線に豆電球を何個か直列に繋いで
電池とスイッチを地上に設定して回路を作ります。そのときの電球のともる順番は良く議論されています。地球から遠くの電球ほど遅くその時間遅れは光の速度程度であると頭の中では理解しています。ところで電力はどこを伝わるかということについては何か測定結果などが報告されているのでしょうか。あるいは等価な回路系を作って空間の電力流を測定することは出来るのでしょうか。実験で検証されてないものは単なる解釈の段階だと理解しても良いのでしょうか。実験手法にお詳しい方または思考実験にお詳しい方のご提案ご見解をよろしくお願いします。

回答No.6

circuit_breaker · ベストアンサー

電力が２本の導体に纏わりついて空間を運ばれる証として、別の伝送線路を近づけた時生じるクロストークは如何でしょう。まさしく空間の共有によってこれは生じます。それとも疑問の核心はもっと他のものでしょうか。補足欄を拝見するに、もし、直流送電における電磁運動量の実感を主目的とされているのならば、次のような思考実験は如何でしょう。

１）平行線伝送線路の受電端に負荷として整合の取れた抵抗が繋がれているとします。送電端からは直流が清静と供給されています。ここで瞬時に電源と負荷を取り除き、送電端と受電端を接続、つまり伝送線路をループさせてみましょう。この結線変更が瞬時なら、何も無かったかのように伝送線路を途切れなく電力が周回しています。方向も維持されたままです。しかし意外にも、見かけは、互いに逆方向に直流電流が流れ、帯電した環状電線２本が寄り添っているだけのしろものです。線間に進行波が存在するにも関わらず、目立つ動的な電磁現象はありません。それでも電力はポインティングベクトルE×Hの方向へ平行線伝送空間を進行、周回しているのです。２本の電線はその散逸を拘束するガイドレールに過ぎません。拘束導体に抵抗が無く特性インピーダンスが均一なら、進行波は永遠に周回します。それでは進行波を取り出し存在を確認してみましょう。受電端をすばやく送電端から切り離し、整端負荷に取り付けます。そこには「伝送線路長を伝送速度で除した時間」だけ直流電圧が出力されます。パイプ中を周回している水柱が飛び出してくる感じです。なお決して送電端方向への飛び出しは無い事にも注目ください。送電端の電圧、電流はループ切断直後からゼロです。

直流のような一見静的な状態が電力の運動を内包していることが実感できましたでしょうか。

２）もっと静的な、お膳立てでも運動量が内包される不思議を見てみましょう。直流的に充電された両端開放の同軸ケーブルを考えます。円筒コンデンサとして芯線外被間に電圧Ｖを有しているだけで、電流はどこにも流れていません。ここで片方の端に整端抵抗を繋ぎます。その瞬間、そこの電圧はV/2になり、「線路長を伝送速度で除した時間の丁度２倍の時間」だけ、その電圧は持続、直後、完全にゼロになります。抵抗接続と共に、他端に向け、「-V/2の電圧」と「-V/2/Zoの電流」が入射される事を起点とし、他端で開放端条件の反射が起きた後も含めて、線路のエネルギがクリアされて行く時々刻々を定石通りの方法で追ってみてください。この様子を別の視点からすれば、静的に思われた初期状態が、実は、動的重ね合わせの結果だったとも受け取れましょう。各V/2の逆方向進行波が両端で反射しながら線路内に閉じ込められていたという見方です。右方向に伝播する電力がE×Hならば左方向はE×(-H)で、磁界合計つまりこれを拘束する為の電流は零、電界合計は波動高さの２倍と言う理屈です。抵抗整端により、その方向に向かっている電力がまず放出され、逆に向かっていた電力は他端の反射を経由した後に放出されるわけです。両端反射で閉じ込められている波動の状態はキャタピラの回転に似ています。終端と共にキャタピラが、折り返し部分で切れ、一方の端からズルズル飛び出して来る感じです。

同軸ケーブルをコンデンサに見立てればOPEN端面にフリンジ容量があります。そして端面の芯線外被間にはアーチ状に膨れた電界があります。これは導体を外に引っ張っる力ですが、その張力は前記の反射閉じ込めにおける電磁運動量の反力の現れと言えるでしょう。

３）直流の波動的な一面を表現できたと思いますが、空間を伝わっている事の傍証がまだ不十分かもしれません。でしたら上述１）のように、送受電端ループした平行線路が進行波を貯蔵している状態で、線間距離、つまり特性インピーダンスを変えてみてください。伝送線路として見た時の電圧や電流を変化させられるでしょう。線間にこそエネルギが存在している一つの証拠です。

エネルギの伝達は線間に光子を走らせて行われるのでしょう。平行線路はガイドレールで、例えば電流などは、光子の一側面としての磁界を線間に拘束するために発生した副次効果に過ぎないとも捉えられそうです。

お礼

circuit_breakerさん丁寧な解説をありがとうございました。大変深い直流の考察に心を打たれました。正に完璧な解説です。おそらくこれ以上の答えは期待できないと思いました。同軸ケーブルコンデンサを左右進行直流波の重ね合わせで実現できることやフリンジング容量の物理的効果等の解説は私も同じ見解を持っていたので大変嬉しく思いました。勿論電送線路ループについても全く同じ見解です。それでもこれらの解釈や思考実験は等価実験の域を出ないと私は感じています。最初のクロストークは空間エネルギーの存在は測定で確認できても空間の電力流を直接測定評価したことではないように感じます。同軸線ループの全く変化しない場が持つ空間のエネルギー流をこれほど明確に理解できているのになぜ直接測れないのか不思議です。最後の光子〔仮想？）交換の結果であるとの解釈はこの種の直流問題は古典電磁気学、古典力学の限界を表し、量子力学でないと記述、解明できないと主張されているのでしょうか。結論として空間電力流の直接測定技術は現状では開発されていないと理解しました。貴重なご意見を的確に大変解りやすく述べて頂いたこと再度感謝します。別の視点から直流波について焦点を絞って質問させて頂きます。そのときはどうかよろしくお願い致します。