大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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Q.1椅子を高く持ち上げたときに疲れるのはどういうことか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.筋肉を構成している分子が様々な配置をとるのに対して,荷物を持つとういう特別な形を維持する分子の配置はとても珍しく,大気からくるかき乱しの力に対抗すべく外界に熱を放出しなければならないから.
Q.2電気抵抗はどのように生じるか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.電流を流し続けるには様々な電子は一の中から特別な配置を維持し続けるということである.大気によって電子配置が乱されないようにするためには大気よりも高い温度を保たなけらばならずそのためにI^2Rの発熱が起こる.発熱量はI^2Rで流れる電流の二乗に比例してその比例定数Rを電気抵抗という.周囲の温度が高いから抵抗が生じる.
Q.3金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ギブスの自由エネルギーから説明してください。
WebClassA.ギブスの自由エネルギーはエントロピーが増大する方向へ変化することとポテンシャルエネルギーが減少する方向へ変化する.つまり金属では温度が上昇すると抵抗が増大し,半導体や電解液では温度が上昇すると抵抗が減少する.
Q.4金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ハミルトンの最小作用の原理から説明してください。
WebClassA.ハミルトンの最小作用の原理により自然界のものはエネルギーは小さくなるように変化する.この原理により電子もイオンも電位の高いところから低いところに移動する.この移動がスムーズに行われるには,途中の邪魔ものがさっとよけてくれた方がよい.そうなるには邪魔者がそこそこ活発な方がよい.これを半導体の電気伝導に適用すると熱励起によって励起された電子が,外部からの電界によって加速され,電子のエネルギーが最小になるように移動を繰り返す.これをホッピング電導と呼ぶ.隣の原子でも励起が起きていないと,そこに電子がトラップされて移動しづらくなる.だから温度が高い方がスムーズに移動できるようになる.これにより半導体では温度が高い方が抵抗が小さくなる.
Q.5電極と電解液の界面と界面電位差について、量子力学の波動関数から説明してください。
WebClassA.異なる化学種の距離が近づいたとき波動関数の合成が起こる.出来上がった共通のHOMOに対して,背伸びしたり,膝を曲げたりして相対的に化学種の間に電位差が生じる.異なる化学種を金属亜鉛と亜鉛イオンで考えると2つのHOMOを同じにしたとき,金属亜鉛の電位は低くなる.これが界面電位差である.
Q.6電池やキャパシタに存在する、界面の電気的な特性と、バルクの電気的な物性について、測定法から説明してください。
WebClassA.サイクリックボルタンメトリーを行うことで界面では電気二重層ができていたりイオンなどが拡散していることがわかる.定電流を流し電位プロファイルを調べることでバルクの電位勾配がどのようになっているかわかる.電位勾配が電界の強さになり荷電粒子に力がかかり加速される.導電率が小さいほど電位勾配が大きくなるためバルクによる電圧降下が起こる.電流が大きくなるほどバルクの影響が大きくなる.
Q.7粒子の分散状態を測定に応用されるレーリー散乱やミー散乱について、波動方程式や拡散方程式などの数学的な手法を交えて説明してください。
WebClassA.照射光としての電磁波と分子の振動の相互作用による分子の双極子モーメントのうなり減少によって散乱が生じる.
Q.8エネルギーダイヤグラムの縦軸と横軸を量子化学的に説明し、電池の起電力と関連づけて説明してください。
WebClassA.エネルギーダイアグラムの縦軸はエネルギーで横軸は距離となっている.電池の起電力はアノードカソードの電極間に生じる非常に薄い距離の電気二重層内の電位差からなる.横軸電極間距離で縦軸が電位となる.
Q.10オーミックコンタクトとショットキーバリアについて量子力学的に説明し、白金とそこに吸着した水素分子との波動関数の状態について説明してください。
WebClassA.金属同士を近づけて界面を作ってもすぐに自由電子が流れて界面電位差がなくなってしまう.金属同士の接触オーミックコンタクトという.共有結合しているものは自由電子がない.界面電位差があっても電子が流れ込むことはなく界面電位差は保たれる.このポテンシャル障壁のことをショットキーバリアという. M-H側の電子は金属側と電子を共有していてオーミックコンタクト状態.H+は水溶液中のプロトンなので水和していて金属側とは電子を共有していない.なのでこの両者が接触すると溶液側とはオーミックコンタクトにはならない.つまりショットキーバリアが生じている.
Q.11好きな言語で、配列を宣言し、離散数値の正弦波を配列に代入し、それらの総和を計算するプログラムを書きなさい。
WebClassA.import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt pi = np.pi N = 64 f = 1000 n = np.array(range(0,N)) t = n/(1000*N) f = np.cos(2*pi*f*t) F = np.fft.fft(f) fig = plt.figure() ax1 = fig.add_subplot(211) ax2 = fig.add_subplot(212) ax1.stem(n, f) ax2.stem(n, np.abs(F)) ax1.set_xlabel('t') ax2.set_xlabel('k') ax1.set_ylabel('f') ax2.set_ylabel('abs(F)') fig.tight_layout() plt.show()
Q.12テンソルフローのAI学習について説明し、クラウド上に教師データを集める方法を提案し、AI技術のエネルギーデバイス設計への可能性を述べてください。
WebClassA.テンソルフローはPythonで学習プログラムを記述できるAIのディープラーニング向けのGoogleが開発した無償のライブラリである. 例えば画像識別のAIならクラウド上に一つファイルを共有して何人かで教師データを集める.これを応用すればAI技術のエネルギーデバイス設計への可能性はあると思う.例えば教師データとして集電体にスラリーを塗工した写真をとり薄く均一になっているものを1としてそれ以外のものを0として学習させることで集電体の評価が簡便に行える.
Q.13電気化学測定法の結果を、電池やキャパシタの評価として、AIに解釈させるための提案を、具体的な測定法を示して説明してください。
WebClassA.サイクリックボルタンメトリーを行った際に得られるボルタモグラムを学習させることでピークがあるものとないものを教師データとして学習させて電池として充放電できるかを評価させる.
Q.15総力戦である電池やキャパシタの開発からマネジメントまでと、基礎科学である熱力学や量子力学をどのように関連づけて学ぶべきか、後輩へ指針を示しなさい。
WebClassA.基礎科学や電池やキャパシタの開発からマネジメントを切り分けて個々に勉強するのではなく一連の流れに沿って勉強した方がよい.個々に学習してしまうと基礎科学が何に使われて何に役立つかが分かりづらくなってしまうので,たとえば電池の製造工程を学びその中に使われている技術や材料について基礎科学を絡めて学習することで基礎科学がこんなことにも使われているんだということが理解しやすい.
A.現代の電気化学やアトキンス物理化学特論を30分から1時間ほど通読した.また最新のエネルギーデバイスに関連する記事をネットニュースなどで調べた.
Q.17電池やキャパシタについて具体的材料や寸法(推定でよい)を示した図面をHTMLファイルにして公開してください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/2020/tka23723/zumen.html 数あるうちの電池の中から一次電池であるマンガン乾電池を調べた.マンガン乾電池を構成する材料のうち正極合材はMnO2粉末と導電助剤をZnCl2の電解液で練りこんだものを使用している.
Q.18電池やキャパシタの工程フローの図面をHTMLファイルにして公開してください。そのURLを書いてください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/2020/tka23723/furo.html EDLCの電極は,活性炭とバインダーを練りこんだものをシート状にする.シート状にしたものを打ち抜き集電体に接着する.電解液を注入し組み立てて封口することでコイン型EDLCが完成する.電解液は有機系のもの使用し,グローブボックス内などで注入する.コイン型のものを2枚積層することで3 V程度の積層型EDLCができる.
Q.19電池やキャパシタのリモート監視システムの概略図(案でよい)をHTMLファイルにして公開してください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/2020/tka23723/rimoto.html セルやレコーダーを監視するためにカメラ用意する.カメラをキャプチャーカードを用いてPCに接続しカメラで映している映像をPCに出力する.出力した映像をテレビ会議システムのアプリ(ZOOM,Skype,Meet等)などを利用してその場にいなくてもセルやレコーダーの監視ができるようにする.欲をいえば出力した映像をAIに学習させて異常が発生した際に警告が出るようにして実験を強制終了させることができれば安全にリモート監視ができる.
A.はい 自分やほかの人が楽しいと思える研究で生活の役に立てるよな工業製品をつくる研究者になりたい.
A. はい、 自分はこの授業を通して今まで以上に電気化学、そしてそれに関する熱力学や量子力学の知識を得ることができた。しかし、この授業でたびたび取り上げられたAIやプログラミングに関しては自分は想像以上に何も理解していなかったのだと痛感させられた。理系大学の大学院に在籍しこれから社会へでるものとしては、プログラミングとAIが重要になっていく世の中において、このままではまずいと感じた。今回の授業時間までではまだ完璧とは程遠い状況だが、学生としての残り時間を有効に使い自分が今までできなかったことを少しでも理解し、実行できるようにしていきたい。
Q.15総力戦である電池やキャパシタの開発からマネジメントまでと、基礎科学である熱力学や量子力学をどのように関連づけて学ぶべきか、後輩へ指針を示しなさい。
WebClassA.電池やキャパシタを知るうえで必須の電気化学の分野では、電子の振る舞いに関することが重要であり、それを根本的に理解するには熱力学や量子力学の知識を使いながらひも解く必要があるので、この部分でこれらを一連の流れで関連付けて学んでいくとよい。
A.主に電気化学の知識については、「現代の電気化学」などの教科書で学習し、物理化学についてはアトキンスなどを用いた。その他プログラミングの用語等に関しては、ネットで検索して勉強した。
Q.14FFTを使った交流インピーダンス法と機械学習の共通点を、数学的な視点から述べ、分析がそこだけでとどまらず、実際に役立てるための方法を提案してください。
WebClassA.FFTを使った交流インピーダンス法と機械学習の共通点は測定時間の短縮と多数のデータを同時に処理できる点にあり、あらかじめ交流インピーダンス法で測定した結果を多く教師データとして学習さておけば、AIによる判別で測定と解釈の時間を大幅に削減できる。
Q.12テンソルフローのAI学習について説明し、クラウド上に教師データを集める方法を提案し、AI技術のエネルギーデバイス設計への可能性を述べてください。
WebClassA. テンソルフローは、2015年にGoogleが開発した機械学習のソフトウェアライブラリであり、その特徴としては、ニューラルネットワークの構築、訓練ができるシステムの要求に応えられる点があり、データの読み込み、前処理、計算、状態、出力といった処理に対してテンソルを扱っている。 クラウド上に教師データを集める方法としては、データの統合・分析・活用などもできるプラットフォームであるGoogle Cloud Platform(GCP)等の利用が考えられる。
Q.13電気化学測定法の結果を、電池やキャパシタの評価として、AIに解釈させるための提案を、具体的な測定法を示して説明してください。
WebClassA. あらかじめ測定したCV(サイクリックボルタンメトリー)の画像を教師データとして、電池材料やキャパシタ材料的な特性のもののCV画像を学習させれば、新たにCV測定したものが電池材料に適しているのか、キャパシタ材料として活用できるのかをAIに解釈させることができる。
Q.7粒子の分散状態を測定に応用されるレーリー散乱やミー散乱について、波動方程式や拡散方程式などの数学的な手法を交えて説明してください。
WebClassA.レイリー散乱やミー散乱は波長λと散乱体の粒径 r の関係を示す粒径パラメータ x = 2πr /λ の大きさによって決まる。粒径パラメータx << 1 の場合はレイリー散乱で、入射場の変動が散乱体全体に瞬時に発生して、表面の電磁場を静電磁場で近似できるようになる。レイリー散乱は、散乱強度が入射波長の4乗に反比例し、前方と後方の散乱強度はほぼ同程度になる。粒径パラメータx ≒ 1になるとミー散乱となり、入射場の変動に対して散乱体に誘発される表面電流や分極電流に時間差を生じる。この過渡電流により共振現象が発生して、複雑な強度変動が現れる。
Q.8エネルギーダイヤグラムの縦軸と横軸を量子化学的に説明し、電池の起電力と関連づけて説明してください。
WebClassA.エネルギーダイヤグラムは、縦軸にエネルギー値、横軸に反応座標や結合距離などを示してエネルギー変化を分かり易く図示したものである。電池の起電力においては横軸に距離、縦軸に電位をとった電位プロファイルで表現される。
Q.5電極と電解液の界面と界面電位差について、量子力学の波動関数から説明してください。
WebClassA. 電極と電解液の界面上では、接触した瞬間に電荷の再分配、すなわち仕事関数の小さな物質から、仕事関数の大きな物質へ、フェルミエネルギーが等しくなるように 電子移動がこり、その移動量に相当する電位差(電極の内部電位と溶液の内部電位の差)が生じる。 ここで、異なる物質間で電子移動が起こるには両物質が接近して、反応に関わるそれぞれの電子の波動関数が重なり、電子移動が完了するまでその状態を保つことが必要となる。
Q.6電池やキャパシタに存在する、界面の電気的な特性と、バルクの電気的な物性について、測定法から説明してください。
WebClassA.交流インピーダンス測定法を用いて、周波数を変化させていくことで、界面、バルクの特性をそれぞれ分離して得る事ができる。
Q.3金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ギブスの自由エネルギーから説明してください。
WebClassA. 金属は電子と原子核の衝突により電気抵抗が生じ、この衝突は原子核の熱振動によって頻度が増加するため、温度が高くなるほど電気抵抗が上昇する。 半導体は高温になると、熱によって励起された電荷担体が支配的になるため、温度が高くなるほど電気抵抗が低下する。 電解液では電流を担うのは電子や正孔ではなく、イオンであり、温度が上がるとイオンが動きやすくなり電気を流しやすくなるので温度が高くなるほど電気抵抗が低下する。
Q.4金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ハミルトンの最小作用の原理から説明してください。
WebClassA.半導体は、常温で熱等の運動エネルギーにより価電子帯の電子の一部が伝導帯に励起されることで電気伝導を示し、価電子帯から励起した電子の抜け殻に正孔が発生し、正の荷電粒子の様に振る舞って電気伝導に寄与する。ここで励起される電子はハミルトンの最小作用の原理に従い作用が極値をとるような経路をとる。
Q.1椅子を高く持ち上げたときに疲れるのはどういうことか、熱力学的に説明してください。
WebClassA. 椅子を持ち上げてその状態を維持するというときに、腕の筋肉が同じ状態をとり続けなければならず、周囲の気体分子の衝突に対して常に逆らうかたちで熱エネルギー を発生させなければならないため疲労を感じる。
Q.2電気抵抗はどのように生じるか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.電子の運動が、物質中のイオンなどの熱運動による振動によって妨げられることにより生じる。
Q.1椅子を高く持ち上げたときに疲れるのはどういうことか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.通常の状態でバランスが取れている体内の分子の位置が持ち上げるという動作によって位置のずれを引き起こす。安定からずれたときにエネルギー、特に熱エネルギーを消費して安定になろうとするため疲れる。
Q.4金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ハミルトンの最小作用の原理から説明してください。
WebClassA.運動エネルギーにより価電子帯の電子の一部が伝導帯に励起されるとき、電子はハミルトンの最小作用に従って作用が極値をとるような経路を通って励起される。
Q.3金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ギブスの自由エネルギーから説明してください。
WebClassA.ギブスの自由エネルギーはG=H-TSで示される。金属の場合、物質移動が起こらないため温度が上昇すると電気抵抗は増加する。逆に半導体や電解液はギブスエネルギーを一定に保とうとするのでエントロピーが減少し、電気抵抗が減少する。
Q.2電気抵抗はどのように生じるか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.電気抵抗は電子の位置のずれから生じる熱によって温度の差が生じ、磁界が発生する。その磁気によって電子の速度が変化するため抵抗が生まれる。
Q.5電極と電解液の界面と界面電位差について、量子力学の波動関数から説明してください。
WebClassA.相界面には物体表面に存在する双極子層が作る電位差がある。その差は熱力学的に厳密に表せない。電子は波として考えることができ異なる相を移動するため、電極と電解液では異なる波動関数を持つと考えられる。そしてその界面で波動関数が重なる。波動関数が重なるときエネルギーの差が生じ、その差が電位差である。
Q.6電池やキャパシタに存在する、界面の電気的な特性と、バルクの電気的な物性について、測定法から説明してください。
WebClassA.電位走査法では電極と電解液界面でどのような酸化還元反応が起きているかを調べるものである。電気界面で反応が進行する電位範囲はその電極や電解液とバルクの種類に依存する。
Q.7粒子の分散状態を測定に応用されるレーリー散乱やミー散乱について、波動方程式や拡散方程式などの数学的な手法を交えて説明してください。
WebClassA.散乱光の密度の平均値からの揺らぎは散乱方程式に従って、波数ベクトルの2乗と拡散係数との比例関係で表される。拡散係数は系の状態が分かっていれば求めることができる。また、散乱光電場の相関関数を測定すれば、系の密度のゆらぎの相関関数を知ることができる。
Q.8エネルギーダイヤグラムの縦軸と横軸を量子化学的に説明し、電池の起電力と関連づけて説明してください。
WebClassA.縦軸はエネルギーの大きさを示しており、横軸は場の位置を表している。電池の起電力はエネルギーダイアグラムにおけるアノードとカソードのエネルギー準位の中間であることを示している。つまり、起電力は横軸と縦軸両方ともがアノードとカソードの中間に位置する。
Q.9HOMO、LUMO、価電子帯、導伝帯、フェルミレベルの概念を使って、活物質の酸化力と還元力を説明してください。
WebClassA.電子の埋まっている最も高い軌道をHOMO、HOMOの上にある、次に高いエネルギーを持つ電子の入っていない軌道をLUMOと呼ぶ、特に無機物では同様に電子が埋まっている軌道帯を価電子帯、空の軌道帯を伝導帯と呼び、その中間にある準位をフェルミレベルと呼ぶ。このフェルミレベルが低い場合は導電帯に電子がいかないため還元力が高くなるが、高い場合には導電帯に電子を送り、酸化力が高くなる。
Q.10オーミックコンタクトとショットキーバリアについて量子力学的に説明し、白金とそこに吸着した水素分子との波動関数の状態について説明してください。
WebClassA.接触した金属と半導体における抵抗性の接触のことで、電流の方向と電圧の大きさによらず、抵抗値が一定になる現象をオーミックコンタクトと呼ぶ。接触界面は純粋な抵抗分だけを持つのでオームの法則に従う。つまり二つの相を波が両方向に移動できる。しかし、ショットキーバリアというのはその移動を妨げるものであり、波が金属側から半導体側ないしその逆のどちらか一方通行に流れやすくなる。白金と水素分子は吸着しているためショットキーバリアは薄いと考えられ、オーミックコンタクトが生じる。そのため波は両方向に移動できる波動関数を示す。
Q.13電気化学測定法の結果を、電池やキャパシタの評価として、AIに解釈させるための提案を、具体的な測定法を示して説明してください。
WebClassA.AIに解釈させるためには測定データは具体的な値ではならないと考えられます。電位走査法ではサイボリックボルタンメトリーという曲線で意味をなすものであるが、AIにおいては具体的な電位と電流で読み込ませる必要がある。そのため電位の測定間隔を可能な限り小さくして電流を計測する必要がある。電流の最大値や最小値はAIが認識できるため結果を算出するために使用できる。
A.シラバスに記載の教科書である現代の電気化学を用意し、学部時代に学習した3,4章を読み直し授業に臨んだ。
Q.19電池やキャパシタのリモート監視システムの概略図(案でよい)をHTMLファイルにして公開してください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.ftp://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/2020/tkf24074/ リモート監視システムの概略図.html 私は電池のリモート監視システムを考えた。 ここで意識したのは誰にでもわかりやすいということだ。その場合、使用者が欲しい情報はどれくらいの測定値であるかではなく、電池の交換時期はいつなのかということである。また、電池自体をシステムの中に組み込むことも考えたが電池にとってそれは価格の上昇を意味し、交換回数が多いものには向かないと考え、製品に組み込むことを考えた。 このシステムでは一度製品のネットワーク環境を整えればよい。また、使用者は警告文が表示された時だけ電池を取り換えれば良い。
Q.18電池やキャパシタの工程フローの図面をHTMLファイルにして公開してください。そのURLを書いてください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.ftp://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/2020/tkf24074/ 電池の工程フロー.html 私は電池の工程ふろーを作成した。 工程の大部分はweb上で説明されているものを参考にした。特に意識したのは検品の工程である。電池など不良によって使用者が多数の被害を追う製品ではとても重要であり、不良が見つかった場合の購入者の信用や企業のイメージを損なう可能性が高い。 私が調べたフロー図には記載していないものが多く、必要だと感じて記載した。
Q.17電池やキャパシタについて具体的材料や寸法(推定でよい)を示した図面をHTMLファイルにして公開してください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.ftp://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/2020/tkf24074/ 電池の推定した具体的材料や寸法.html 他生徒は燃料電池など先端的な研究を用いた電池やキャパシタの作製例を公開すると考え、私はあえて現在用いられている電池の効率的な構造を想定した。 それは現在生活で用いられている電池の多くが乾電池であり、それを想定したソケットが多くの製品に用いられているからである。 おおもとになる寸法などは参考資料である現代の電気化学を参考に単3の乾電池と同様なものを記した。 ここで注目してもらいたいのが負極集電体が多孔質であることだ。その材料として多孔質として先行研究が盛んなシリカを選んだ。私は集電体で重要なことは表面積であると考える。集電物質としてメッキが可能な銅を選んだ。
A.はい。 将来の抱負は多くの人が利用できる製品を作り、実際の生活において使用している姿を見ることです。 私は無機固体化学、特に窯業やセラミックスの分野でその目標を叶えたいと思います。 そのためには学生のうちに自分の研究分野だけにこだわらず広い視野で多くの分野や技術にふれ、自分の研究に生かしていく必要があると思います。現在では無機、有機と分けて考える時代ではなくなっています。 また、早いうちからどのような企業があるかも知っておくことも大切だと思っています。
A.はい。 私はまだ電気化学を量子力学と関連づけて勉強できないので量子力学をもう少し勉強して、電気化学と結び付けたいです。
Q.18電池やキャパシタの工程フローの図面をHTMLファイルにして公開してください。そのURLを書いてください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.file://yzdn/dfs/share6/www/Public/54299/2020/thf77716/%E9%9B%BB%E6%B0%97%E5%8C%96%E5%AD%A6%E7%89%B9%E8%AB%96.html
Q.17電池やキャパシタについて具体的材料や寸法(推定でよい)を示した図面をHTMLファイルにして公開してください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.file://yzdn/dfs/share6/www/Public/54299/2020/thf77716/%E9%9B%BB%E6%B0%97%E5%8C%96%E5%AD%A6%E7%89%B9%E8%AB%96.html
A.とくに予習などはしてなかったです。
Q.13電気化学測定法の結果を、電池やキャパシタの評価として、AIに解釈させるための提案を、具体的な測定法を示して説明してください。
WebClassA.例えばリチウム電池を速い掃引速度でcvを測定し、充放電反応のピークがあるか無いかをAIの画像認識ソフトで判別させる。
Q.15総力戦である電池やキャパシタの開発からマネジメントまでと、基礎科学である熱力学や量子力学をどのように関連づけて学ぶべきか、後輩へ指針を示しなさい。
WebClassA.電位差はエネルギーダイアグラムを用いて、ギブズエネルギーと関連づけて勉強させます。 また、コンデンサーの漏れ電流の原因にトンネル効果などがあったのでそこから量子力学に関連づけて勉強するといいと思います。
Q.6電池やキャパシタに存在する、界面の電気的な特性と、バルクの電気的な物性について、測定法から説明してください。
WebClassA.藤嶋昭の電気化学想定法上によると、電気化学系のインピーダンスは電解液の抵抗R、電気二重層容量および酸化還元反応が起こるときのインピーダンスを含んでいる、
Q.1椅子を高く持ち上げたときに疲れるのはどういうことか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.人間の体の中の分子は乱雑に動く。その乱雑に動く分子の中から荷物を持つという形を維持するとボルツマンの式よりS=klnWのエントロピーが発生するので、疲れる。
Q.2電気抵抗はどのように生じるか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.原子核の熱振動によって、電子が拡散する。
Q.1椅子を高く持ち上げたときに疲れるのはどういうことか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.両手が支柱になるから。
Q.2電気抵抗はどのように生じるか、熱力学的に説明してください。
WebClassA.チタン表面を粗く削る。
Q.3金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ギブスの自由エネルギーから説明してください。
WebClassA.Eは活性化エネルギーで、真性半導体ではバンドギャップエネルギーに相当する。ここで、kはボルツマン常数、Tは絶対温度である。それに対して、金属の電気伝導にはバンドギャップは無関係なので、温度が上がると格子振動によって散乱され電気伝導度は低下する。金属では高温では電気伝導度が絶対温度Tに逆比例する。
Q.4金属と半導体や電解液の電気抵抗の温度依存性について、ハミルトンの最小作用の原理から説明してください。
WebClassA.常温付近では、主な金属の電気抵抗は温度上昇に比例して増大し、主な半導体の電気抵抗は逆に低下していく。電気抵抗の温度による変化量は、その材質の電気抵抗率の温度係数α を使って、次の式で計算できる。 {\displaystyle R(T)=R_{0}[1+\alpha (T-T_{0})]\,\!}R(T) = R_0 [1+\alpha (T - T_0)]\,\! ここで T は温度、T0 は基準温度(一般に常温)、R0 は T0 における電気抵抗、α は単位温度当たりの電気抵抗率の変化率である。α は対象とする物質によって決まる定数である。
Q.6電池やキャパシタに存在する、界面の電気的な特性と、バルクの電気的な物性について、測定法から説明してください。
WebClassA.ナノサイズの物理ですが、最近はナノという言葉を耳にする事が多いかと思います。ナノと偏に言っても、現実にはナノでは無く、数百ナノ、つまりサブマイクロサイズでの現象を取り扱う事もあります。勿論、様々なサイズ、形状の構造について、多様な興味の下に研究が進められており、それらがナノサイエンス、ナノ物理として一つの研究分野を成しているといえるでしょう。私達の研究室の興味の対象としているのは、ナノサイズから原子数個の物質の示す物性です。例として、一辺が原子1億(10^8)個程度の立方体を考えましょう。これは非常に巨大な物体に思えるかもしれませんが、原子一個の直径を1(水素原子一個ほど)とすると、一辺は1 cmに相当します。一つの表面あたりの原子数は、10^16個になり、立方体中の原子数は10^24個となり、 表面 : バルク = 1 : 10^8 と表面の性質は重要ではありません。しかし、一辺が原子一万(10^4)個程度、千(10^3)個、百(10^2)個だったら、当然表面の原子の影響が強く現れる事が期待される。
Q.5電極と電解液の界面と界面電位差について、量子力学の波動関数から説明してください。
WebClassA.気相・液相に区別なく、異なる物質間で電子移動が起こる条件は、両物質が接近して、反応に関わるそれぞれの電子の波動関数 Ψj(r, t) = ψj(r) exp (-i(Ej/)t) (j = W or X)が重なり、電子移動が完了するまで、その状態を保つこと。
Q.9HOMO、LUMO、価電子帯、導伝帯、フェルミレベルの概念を使って、活物質の酸化力と還元力を説明してください。
WebClassA.まかに言えば、価電子帯(電子占有軌道)は遷移金属Mのd軌道と酸素の2p軌道で構成されている。この二つの軌道は、共有結合である程度結ばれているので、かなり近い軌道レベルに現れる。、Mの電子が占有している方のdバンドのレベルを下げることが、電池電圧を上げることになる。Mのdバンドの電子準位は、原子核(+のチャージ)から受ける静電引力の影響が大きい。単純には原子核の電荷が大きくなればなるほど、dバンド上に浮かんでいる電子が受ける引力は大きくなっていくから、周期表左側(前周期側)よりも右側(後周期側)のほうがdバンドは深く沈みこむ(エネルギー的に安定化する)と思われる。
Q.8エネルギーダイヤグラムの縦軸と横軸を量子化学的に説明し、電池の起電力と関連づけて説明してください。
WebClassA.MO理論では、分子軌道は原子軌道の重なり合いによって形成される。原子軌道のエネルギーは電気陰性度と相関しており、より電気陰性度の高い原子は電子をより強く引き付けるためエネルギーは低下する。MOの取り扱いは原子軌道が同等のエネルギーレベルにある時のみ有効である。エネルギー差が大きい時は結合様式はイオン結合となる。原子軌道の重なり合いのための2つ目の条件は、それらが同じ対称性を有していることである。
Q.7粒子の分散状態を測定に応用されるレーリー散乱やミー散乱について、波動方程式や拡散方程式などの数学的な手法を交えて説明してください。
WebClassA.光の波長よりも小さいサイズの粒子による光の散乱である。透明な液体や固体中でも起きるが、典型的な現象は気体中の散乱であり、日中の空が青く見えるのは、レイリー散乱の周波数特性によるものである。 散乱波の波長 λ と散乱粒子の直径 d に関わるパラメータとして、円周率 π を係数としたサイズパラメータ {\displaystyle \alpha ={\frac {\pi d}{\lambda }}}{\displaystyle \alpha ={\frac {\pi d}{\lambda }}} があり、α ≪ 1 はレイリー散乱、α ? 1 はミー散乱、α ≫ 1 は幾何光学近似で表現できる。
Q.15総力戦である電池やキャパシタの開発からマネジメントまでと、基礎科学である熱力学や量子力学をどのように関連づけて学ぶべきか、後輩へ指針を示しなさい。
WebClassA.電池やキャパシタの危険性を調べて、そしてビーカーによる実験を行う。
Q.14FFTを使った交流インピーダンス法と機械学習の共通点を、数学的な視点から述べ、分析がそこだけでとどまらず、実際に役立てるための方法を提案してください。
WebClassA.電気信号とアルゴリズムが検出する。遠隔操作を可能にするようなシステムの開発。
Q.13電気化学測定法の結果を、電池やキャパシタの評価として、AIに解釈させるための提案を、具体的な測定法を示して説明してください。
WebClassA.イメージjなどの安易なソフトウェア使う。
Q.10オーミックコンタクトとショットキーバリアについて量子力学的に説明し、白金とそこに吸着した水素分子との波動関数の状態について説明してください。
WebClassA.ショットキーダイオードの整流作用(Click to Enlarge)金属をシリコンなど半導体材料に接触させた時、電気は、金属側から半導体側ないしその逆のどちらか一方通行に流れやすくなる。この一方通行だけ電流が流れやすくなっている現象を整流作用 (rectification)という。 整流作用は、交流を直流に換える時などあらゆる工業用途に使われる。何故整流作用が起きるかと言えば、山あいを流れる渓流の滝で崖の上から下にしか水が流れないのと同じように、金属と半導体の接触界面に電気的な崖が出来ていて、崖の上から下の方向には、電気が流れるが、下からは流れないことが原因である。金属はpn接合ダイオードのアノードとして働きます。また、半導体はn層だけですので動作の担い手は、電子(エレクトロン)のみとなりMOSFETと同様にユニポーラー素子となります。金属材料によりシリコンのエネルギー準位と金属との差(エネルギーギャップ)が異なります。この差をΦBと表し、大きい金属の代表格は Pt(白金)、低い金属は V(バナジウム)や Ti(チタン)があります。ΦBが大きい金属を使用すると低漏れ電流ですが、順電圧降下VFは大きくなります。ΦBの小さいVやTiではその逆の特性となります。
Q.11好きな言語で、配列を宣言し、離散数値の正弦波を配列に代入し、それらの総和を計算するプログラムを書きなさい。
WebClassA.離散数学の中核を成す分野として次の2つが挙げられる。 組合せ論 グラフ理論 組合せ論とは「ひたすら数える」数学である。より一般的にいって、それは有限の数(とはいっても星の数よりはるかに大きな数のときもあるが・・・)について考えるということである。その考え方の基本は 解決法は存在するか? どれくらいの数の解決法があるか? 最適の解決法があるか? ということについてである。 グラフ理論は、(大まかに言うと)点と線の数学である。頂点(点)とそれらの接続(辺)を調べるという単純な考え方が基本となるが、現在、とても勢いのある分野へとなった。グラフ理論の中の多くの問題は、組合せ論に関係がある。
Q.12テンソルフローのAI学習について説明し、クラウド上に教師データを集める方法を提案し、AI技術のエネルギーデバイス設計への可能性を述べてください。
WebClassA.万能というか、「ほとんど万能」な道具があるとして、重要なのはそれをどのように適用するかというアイデアを人間が持てるかどうかである。缶詰が発明された50年後に缶切りが発明されたように、人類はまだこの深層学習という怪物の潜在能力を引き出してはいない。
A.電気の面白さを感じていました。
Q.17電池やキャパシタについて具体的材料や寸法(推定でよい)を示した図面をHTMLファイルにして公開してください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.諸事情により公開できませんでした。
Q.18電池やキャパシタの工程フローの図面をHTMLファイルにして公開してください。そのURLを書いてください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.諸事情により公開できませんでした。
Q.19電池やキャパシタのリモート監視システムの概略図(案でよい)をHTMLファイルにして公開してください。その公開URLとHTMLのメイキングストーリーを書いてください。図はsvgでhtmlに埋め込むことを推奨しますが、camvasやjpg,png.mp4などでも構いません。
WebClassA.諸事情により公開できませんでした。
A.はい。 これからは人に言われずに、自分で考えて行動できるようにがんばります。
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■総まとめ
</q></cite>
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<a href='https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/developer/Asp/Youzan/@Syllabus.asp?nSyllabusID=11208'>
エネルギー化学特論
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<a href='https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/developer/Asp/Youzan/@Lecture.asp?nLectureID=0'>
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第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。