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電波とは

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「身近な自然と科学 Vol.6」より

最近は、私たちの身の周りにも電波を発信するものが溢れてますね。
一昔前なら、アマチュア無線、CB無線(市民バンド無線)、ワイヤレスマイクぐらいだったのに・・・
今は、携帯電話を筆頭に無線LAN、小電力トランシーバーとか、細々したものまで数え上げたら大変な程です。

今回の話題は【電波】です。
一口に電波と言ってもなかなか奥深い代物です。
電波というのは『電磁波』を略した言葉ですが、電磁波には、赤外線、紫外線、可視光、エックス線、放射線(アルファ線・ベータ線・ガンマ線)も含まれます。
光の下で過ごしている私たちは、電磁波を浴び続けている訳です。

1864年J.C.Maxwellは、『マクスウェルの方程式』と言われる電磁界の基礎方程式を確立し、電磁波の存在を予言しました。
数式の苦手な方は、☆☆☆まで飛ばしてください

----参考:マクスウェルの方程式---
rot H = J+∂D/∂t
rot E = -∂B/∂t
div D =ρ
div B = 0

J は、電流密度
ρ は、電荷密度
E は、電界強度
H は、磁界強度
B は、磁束密度
D は、電気変位

∂D/∂tは変位電流と呼ばれ、次の説明で出てくる、導体 A と 導体 Bの間を流れます。

マクスウェルの方程式を、均一な媒質中、Y,Z方向のベクトル成分は均一として、X方向だけに着目して解くと、X軸の正負の方向に光速で進む波が導かれます。

色の話題で取り上げた(Vol3,4)“シュレーディンガー方程式”もそうですが、実際には見えない物を微分方程式から導く手法には敬服するものがありますね。

マクスウェルの方程式は、磁束密度(注1)の時間的変化はその周りに電界(注2)を発生させ、電気変位の時間的変化はその周りに磁界を発生させるということを記述しています。
マクスウェルの方程式はここまでにして、もっと直感的に電磁波の発生を説明します。
電磁波を出すには、高周波電源が必要です。
高周波電源と言うのは、時間的にプラスとマイナスが変わる交流電源ですが、プラスマイナスが1秒間に1万回以上変わる交流を高周波と言います。
1秒間に1万回は周波数で表示すると10キロヘルツです。
スピーカーに接続すれば耳の良い人には音として聞こえます。
高周波電源の作り方は機会をみて説明します。

ここで、2枚の導体(電気が良く流れるもの、アルミとか銅)を平行して並べます。

a =========導体A
 
 
 
b =========導体B

そして、導体 A,Bに高周波電源を繋ぎます。
高周波は交流ですから、プラス、マイナスが時間の経過と共に変わります。

或る時間に、導体 A がプラス、導体 B がマイナスだとします。
導体 A と B の間は空気で、電気は流れませんから導体 A には、プラスの電荷(注3)が、導体 B にはマイナスの電荷が溜まります。

a =========導体A
+ + + + + + + + + +
 
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
 
- - - - - - - - - -
b =========導体B

この時、導体 A と B の間には電界が生じています。
電界とは、正負の電荷が力を受ける範囲を言います。
磁石の近くに鉄釘を近づけると引き付けられますが、電気にも似たような作用があります。

このまま、導体 A がプラス、導体 B がマイナスでしたら、導体 A,Bの間に電気が貯えられるだけなのですが、交流を繋いでいるので、導体 A の電位は、徐々にゼロになります。
導体 B の電位も、徐々にゼロになります。
すると、導体 A,B間にあった電界は行き場を失って閉じた輪になり、独立した電界となります。

電位がゼロになった導体 Aは、今度は徐々にマイナスに導体 B はプラスに変化します。
導体 A,B間には、さっきとは逆方向の電界が生じ、前に出来た独立した電界を押し出します。
そして、導体AとBの電位の変化に連れて、逆方向の電界も独立した電界となり、
次に出来る電界によって押し出されて行きます。
この繰り返しで伝わって行く訳ですが電界(正確には電束)の変化は電流の変化で、電流が変化すれば磁界が発生して、磁界も電界と一緒に空間に放出されます。
電気が流れれば電磁石が出来るのと同じです、で、磁石が動けば電気が起きますが(発電機の原理)
電磁波の場合も、電界の変化が磁界を起こし、磁界の変化が電界を起こすという相互作用で空間を飛んで行きます。

ですから、電気を通しやすい海水中では電波は実用不能な大きな減衰を受けます。
しかし、海中での減衰データを見たことがあるので、コスト‐パフォーマンスを考慮に入れない軍事目的(潜水艦との通信用)で利用されているかも知れません。
また、あまり問題視されていませんが、海面上、湿地帯の上を伝播する電波は乾地よりも減衰を受けます。
携帯電話の説明書の注意書きにある、トンネル内、鉄筋造りの建物内、電車内では通話が出来ない場合があると言うのは、電気を通しやすい物に電波が当たって電界成分が失われたり、鉄などの磁性体(磁石になる物)で磁界成分が失われるためです。

注1:磁束密度
磁石からは鉄釘を引き付ける力が働いていますが、その力を線でイメージします。
鉄釘を引き付ける力が強い所は、その線がいっぱいある訳です。
単位辺りの面積中にその線が多ければ磁束密度が高く、少なければ密度は低い訳です。
広辞苑には磁場の強さと性質を表す量。
運動している荷電粒子が磁場中で受ける力から導かれる。
単位はテスラ(T)、またはウェーバ毎平方メートル(Wb/u)

注2:電界
電気力が働く場所

注3:電荷
電気は見えないし、直接重さを測ったりできません。
しかし、電気は離れたり吸引したりするので量的に見た時に電荷として扱います。


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