物理で世界の成り立ちを知りたい: 10月 2014

2014年10月20日月曜日

「これが物理学だ！」ウォルター・ルーウィン著　第８講　磁気のミステリー

第８講は、磁気のミステリーです。とても、ここは面白いのですが、本を読んでいて感じたのが文章のみではわかりにくいことでした。ルーウィン教授の講義が日本語字幕で公開されれば良いのにと思います。
この本も、元は英語で書かれていたので、ルーウィン教授も講義を見てくれという感じです。
アメリカの大学の講座を一般に公開する姿勢には素晴らしいものと、自信があることがわかります。
日本は国立大学を頂点にしているにもかかわらず、国民のために講座を公開するという姿勢が少なすぎますね。

・オーロラはなぜ極地に現れるか
　太陽風から放出される陽子、電子の荷電粒子が、地磁気により磁極のある極地に降下していくことで、大気の酸素、窒素とぶつかり、電磁エネルギーとして光る。
　そのほか、ここでは、磁性体の話や、地磁気がなぜできるのかとてもわかりやすく説明されています。

・電流は磁場を生む
　エルスデッドは電流が磁場を生むことを実験中に見つけ、ファラデーは導線のコイルに、磁石を通すと電流が流れることを発見した。モーターの原理の発見。

・電気を運動に変換するには
　ここでは、モーターの話。

・モーターを作る
　私の上のノートにもあるように、モーターの作り方を教えてくれる。

・磁力で空中浮揚を実現する。
　こんなに簡単に、磁力で空中浮揚できるとは知りませんでした。金属板とコイルに交流電流を流すだけでよいのは驚きでした。

・磁力を使った高速鉄道
　リニアモーターカーの原理はそれほど難しいものではないけど、超電導材の上に磁石を乗せると浮上する効果が驚きです。本当に理解できている人は少ないようですよ。マイスナー効果ともいうらしい。

・マクスウェルの並外れた偉業
　電気と磁気の４つの方程式
　1.電気の法則
　2.磁気の法則
　3.ファラデーの法則、変化する磁場がどう電場を生むか
　4.アンペールの法則の改良、変化する電場がどう磁場を生むか

　これらの方程式から、電磁場の存在を予言し、速度は光速に等しいことを導いた。光は電磁波であることがわかる。

　しかし、本にはなかったが、フレミングの左手の法則（磁場内において電流が流れる導体に力が発生する現象）がないのが不思議…。マクスウェルの方程式には力が入ってない・・・。

2014年10月13日月曜日

「これが物理学だ！」ウォルター・ルーウィン著　第７講　電気の奇跡

　いよいよ、第７講は電気です。

　物理学では電磁気学として、ひとつの分野になりますが、ルーウィン教授のこの講義では、難しい理論よりも自然現象を中心として、直感的にわかるような説明になっています。数式などは基本ありませんが、今後本格的に、電磁気学を学ぶときの基礎になると思います。

　序論では、琥珀をこすることで静電気が生じること。琥珀はギリシア語で「エレクトロン」から電気の「エレクトリシティ」がきていること。

　琥珀のような、擦ると物体が電荷を帯びることを「摩擦帯電効果」(トライボエレクトリック・エフェクト)と言う。

　帯電列…２種類の物体間の殿下の帯びやすさの順に並べたもの。離れるほど擦りあわせたときの電荷が帯びやすい。

・フランクリンの「電気流体」説

　すべての物質には、「電気流体」あるいは、「電気火」が浸透している。

　フランクリン、「火」を多く含む物質は正電荷、「火」が足りないと負電荷と考えた。

　また、電荷は保存されること。「電気火」が多くも物質ほど、互いに近づくほど、より「反発」、「引き合う」力が強くなる。

　「導体」「不導体」があることも知っていた。

・人間が思考できるのも電気があるからだ

　私たち脳細胞の間で電気信号が行き来している。

　基本、この世界のほとんどは電気現象によってなっている。

・電子をこそげとる。

　陽子がプラスになったのは、フランクリンがガラス棒を絹布で擦って、ガラス棒が帯電したのをプラスとしたから。

　原子核を野球ボールとして、電子はなんと８００メートル先にある。なんと、スカスカなのか。

　原子核の中には、正電荷を持つ陽子と電荷のない中性子、その周りに負電荷の電子がある。全体として、陽子の数=電子の数であり、電気的に中性となる。

　現に、純粋１０００万個の分子中、イオン化して電荷が偏っているのは１個、地球上のほとんどの物質は電気的に中性。

　電子が不足している物質は、プラスの電荷を帯びている。電子が過剰に持っている物質はマイナスの電荷をもっている。

　ほとんどの金属は、電子が金属の原資の中を自由に動く、導体である。

　空気自体は、絶縁体だが、水分があると電荷が流れ出す。ドアノブなどに手が当たった時に感じる電気ショックは空気が乾燥しているときが多い。

・櫛を使った実験

　櫛を絹布で擦り、マイナスに帯電させ、紙切れに近づけると、櫛にくっついたり、くっついてもすぐに離れたりと面白い動きをする。

　これは、紙切れの電子は自由に動けないので、櫛のマイナスの帯電の影響を受け、紙の原子レベルで電子の偏りができ(誘電)、誘電分極により櫛にくっつく。しかし、櫛の電子が紙切れに移動すると、反発と紙の重みとで離れていくものがある。

　クーロンの法則…このように帯電により、同電荷の物質は反発し、異電荷の物質は引き合う。厳密には、二つの電荷の積に比例し、二つの粒子間の距離の２乗に反比例する。

　１クーロンは６×１０の１８乗個の電荷(正電荷なら陽子の数、負電荷なら電子の数)

・電子が働き、物は引き合う

　誘電は、不導体だけでなく導体でも起こる。

　ゴム風船の性質が興味深く、誘電の学習の理解に良い。

・火花とは何か

　電場とは、荷電粒子などが、力が働く場のこと。

　電場の強さは…ボルト/メートル　物体のボルト数は、その物体の「電位」を表す。

　１ボルト１クーロンの正電荷を電場中を動かすために１ジュールかかったとする。その間の電位差が１ボルトという。

　もちろん、正電荷を中心に考えているが、負の電場の中を、１クーロンの正電荷が引力で動いた場合、負のエネルギーとなる。逆に元の位置に戻るためには、正のエネルギがかかる。

　電流…電位差の中を(高い電位から、低い電位へ)流れる電荷が、電線の中を１秒間に１クーロン電荷が通過している電流の量を１アンペアという。

　ところで、静電気の時に生じる火花は?

　静電気において、ドアノブに手をやった時に、電子がその隙間に飛び込んで空気をイオン化する。そうすると、さらに多くの電子が飛び込む。この時の空気のイオンが、空気中の電子と再び結びつき、エネルギーの一部を光として放出する。

・電流が人体に危険な理由

　電荷が体内に流れると、筋肉が収縮し、痙攣が止まらない。

　１秒未満でも０．１アンペア以上の電流が心臓を通過すると、死に至る危険がある。

・稲妻は地表から空へも走る。

　雷は、雲から地表へ、地表から雲へ両方向に走る。

　雷の音…雷のエネルギーは空気を２万度に熱する⇒超高温⇒空気から強力な圧力波⇒冷たい空気にぶつかる⇒音波が生じる。

・スニーカーを履いていても被雷する

　スニーカーやゴム底の靴では、雷の威力には無意味。

　自動車の中は安全というが、現在の自動車はグラスファイバー製も多く疑問、確かに、雷などの高周波電流は導体の外側を流れる「表皮効果」がある。

　ベンジャミン・フランクリン…雷実験、雷の中たこをあげ、濡れた麻糸のたこ糸の末端に、金属のカギをぶら下げ、そこから自分へは電気を通しにくい絹糸で実験。その金属のカギが雷の電荷を集めたとして、ライデン瓶(電気をためるコンデンサーみたいなもの)へ金属のカギをくっつける。そして、ライデン瓶を触って静電気と同様な電気ショックがあることから、雷は電気であるとした。しかし、この実験は真実か怪しいらしい。

　あと、まったく勘違いで避雷針も作った。フランクリンの考えそのものは、避雷針が雷の電荷を吸い取って、雷を落ちにくくするという発想だった。ただ、幸運だったのは、避雷針に雷が落ちて、地面に逃げたことで、雷を直接避雷針で受けて建物を守るという役目を果たした。

　以上、電気の講義は幅広く、理論的な面での解説は表面的でしたが、具体的現象に関しては興味深い内容だったと思います。

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2014年10月11日土曜日

「これが物理学だ！」ウォルター・ルーウィン著　第７講以降　今後の予定

このブログ、みなさんちょくちょく見にきてくれてありがとうございます。
今後は、電気、磁気、エネルギーの３講義の後、本来の、ルーウィン教授の分野の宇宙は、さらっとまとめて終わりたいと思います。

そうでないとなかなか終わりませんよね。

よく、物理のブログで、多くの本を読んだかのように紹介している方もいらっしゃるのですが、本当に全部読んで、理解したのかとても不思議です。

私など、凡人には、頭が上がりません。

１冊読むのに、専門書はやはり１０日はかかるでしょうか?
しかも今回のように要旨をまとめながら、ノートにすると余裕で１ヶ月はかかります。

私は、仕事がコンピュータ分野のため、システムの維持、メンテナンスで、「ひい、ひい」言っており、家に帰ったらへとへとです。

それで、この「これが物理学だ!」は今月で終わりにして、次は「フーリエの冒険」へ進みます。
この本は、２０年以上前からあるのですが、現在も版を重ねています。

フーリエの冒険と書かれているので、フーリエ級数、展開を学ぶと思いきや、高校数Ⅲあたりからの数学をみっちりと「なぜそうなのか」がくどいぐらい説明されています。

絵がとってもかわいいですね。

でも、なかなか厚い本ですよ！

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2014年10月5日日曜日

「これが物理学だ！」ウォルター・ルーウィン著　第６講　ビッグバンはどんな音がしたのか

　この第６講は、音に関しての講義になっています。雷の経験などから、光ってから音がなるまでを数えて、何キロ先で雷が落ちたとかよく話します。ここでは雷の話はなかったのですが、空気の中を伝わる音の進む速さが、おおよそ３４０メートル／秒ということ。媒質によってかなり異なるらしく、水中の音の速さは空気中の４倍、鉄では１５倍の速さらしいです。しかし、私は音楽の演奏に興味がなかったので、ルーウィン教授の音楽の楽器の音が大きくなる原理や音色に関して細かく文章で書かれても、正直わかりにくかったです。インターネットとかで調べたりもしました。とまあ、今回の講義も知らないことがたくさんありました。以下、簡単に要旨します。

　まず、音波には三つの量的特性があとのこと。
　１．周波数、２．波長、３．振幅

・振幅が音の大きさを決める
　たとえば、ピアノの鍵盤をやさしく叩いても、もしくは強く叩いても、同じ音色だが、音の大きさが違う。音の強弱は音波の振幅の大小です。
　なお、よく騒音など何デシベルという単位で測るのも、音の大きさを表すものですが、人間の感覚に置き換えているので、けっこう難しい式になります。(対数logの形式)
人間が聞こえる音の範囲は20Ｈｚ～20000Ｈｚまで、でも、年をとると高い音が聞こえなくなります。

・宇宙における音波
　宇宙は真空だから音が伝わらないと単純に考えてはいけない。
　宇宙にも、水素の原子核（プロトン）、電子、などのプラズマ状態の物質が存在する。
　プラズマとは、イオン化した気体。
　このように、物質が存在するところには圧力波が生じることができる。

・ビッグバンはどんな音がしたのか？
　ビッグバンの圧力波の波長は５０万光年、宇宙は膨張しており、今では５億光年。
　この５億光年とは、平均的な銀河間の距離です。
　しかし、ビッグバンの音がネットに公開されていたが、遠くにジェット機が飛ぶような「ビュォーーン」という間抜けな音です。人間が聞こえる範囲の周波数にするために時間を進めているからでしょうが・・・。

・共鳴の不思議
　共鳴とは、すべての物体には固有振動数があり、その振動数をちょっとした刺激で増幅し、より力強く振動させる。
　固有振動数にも基本単位（最低次固有振動数）があり、あとはその倍数の高調波があるらしい。

・楽器の仕組み
　弦楽器では、弦のひもの長さ、張力、重さの三要素があるとのことで、何本もの弦を張り、同時に複数の固有振動数を出すことで、各楽器特有の音色が出る。

・音が大きくなる仕組み
　弦だけでは大きな音はならないので、弦の間にカップのような表面積を大きくする物体を繋いで、空気中に伝えることで大きく伝わる。

・倍音
　音楽の音の組み合わせ、ある音を基音として、周波数が２倍になる音（１オクターブ上）との組み合わせ。この倍音が組み合わさり、先の楽器の仕組みでも述べた、音色が出る。ピタゴラス音律とも言うらしい。なかなか、このあたりは音楽の歴史でもあります。

・ひも理論への跳躍
　ひも理論の基本概念・・・物質の基本構成要素は、振動する微小なひも、それが様々な規模の、異なる倍音の周波数で振動→各素粒子として振舞う。

・音でワイングラスを割る実験
　全ての物には固有振動数があり、共鳴させれば、より強く振動させることができ、ついにはワイングラスが割れる。
　ここで、クラドニ板の共振の話があり、金属の板の上に細かい砂のようなものをまいて、バイオリンなどを奏でると、その音色に応じて砂粒が、板の上で模様を作る。ちなみに、YOUTUBEで検索してみたら、なかなかきれいな模様ができる光景が映し出されていた。

・管楽器の音楽
　先には、楽器として弦楽器の仕組みであったが、管楽器についての説明がされていた。基本的には気柱の共鳴効果で、気柱の両端が開いているのを開管楽器、一つが閉じているものを閉管楽器という。

・１リットルのペットボトルで実験しよう
　ペットボトルの口に息を吹きかけ共鳴させる実験です。

・危険な共鳴
　共鳴(共振)によって、橋などが壊れることもある。
　タコマ・ナローズ橋の倒壊など例にありました。

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