電磁波とは何か




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電磁波とは何か

電磁波の種類

電磁波とは、空間を流れる電磁気のエネルギーのことです。

電線を通っている電気は電流、空気中に流れている電気が電波ということになります。

電磁波の種類は多種多様で、私たちの生活に大きく貢献してテレビなどの娯楽に限らず、医療機器に使われるなど私たちの社会生活を豊かにしてくれています。

図1のように電波は電磁波ですが電磁波には、X線や紫外線、可視光線、赤外線なども含まれています。

病院などでよく使うレントゲンなども電磁波になります。

電波は電磁波のうち赤外線よりも長い波長のもので、電波法では「3000GHz(3THz)以下の周波数の電磁波」と規定されています。

波の基本

ひとつの波の繰り返しの長さを「波長」と呼びます。

そして、ひとつの波が繰り返す時間を「周期」といいます。

「波長」には \(λ\)(ラムダ)を用い、「周期」には \(T\) を用います。図2では 1秒間に 50回 の周期を繰り返す波を表しています。

つまり、50Hzの周波数を表しています。

波に関する基本式

周波数 \(f\) [Hz] は周期 \(T\) [s] の逆数なのでその関係は以下のようになります。

\(f=\cfrac{1}{T}\) [Hz]

波が進む速さ(1秒間に進む距離)を \(v\) [m/s]、周波数(1秒間に送り出す波の数)を \(f\) [Hz]、波長(1つの波の長さ)を \(λ\) [m] とすると次のようになります。

\(λ=\cfrac{v}{f}\) [m]

波長の使い方

短波を受信したり、送信する時にはアンテナを張らなくてはなりません。

そのようなときに、アンテナの長さを周波数に共振させるには波長にアンテナの長さを合わせる必要があります。

波長はアンテナの長さを決定したりするときに必要になります。

実際のアンテナの長さは1/2λや1/4λの長さを使います。

電波の波長を計算する

50MHzの周波数の波長はいくつになるか求めてみます。

電波の速さを 約30万km/s(= 約300Mm/s)とする。

\(λ=\cfrac{v}{f}\) [m] なので数値を代入すると

\(λ=\cfrac{300×10^6}{f}=\cfrac{300×10^6}{50×10^6}=6\) [m] となり 周波数 50MHzの波長λは 6mになります。

電磁波の発見

電磁波の存在を予言したマクスウェル

ファラデーが電磁誘導の法則を発表した1831年に、マクスウェルはイギリスに誕生しました。

マクスウェルはファラデーの電磁誘導の法則やアンペールの法則などの理論を、数学的に展開、発展させることにより電磁波の存在を予言しました。

1864年「電磁場の動力学的理論」という論文のの中でのことです。

彼は空間には電気だけではなく、磁気エネルギーも存在すると仮定しました。

そして、二つの電磁エネルギーが一体になって、空間を伝わるのではないかと考え光も電磁波の一種と考えていました。

ヘルツによる電波の発見

1864年にマクスウェルが電磁波の存在を予言してから24年後の1888年に、ドイツのヘルツが火花放電を用いた実験で電波(電磁波)が存在することを確認しました。

ヘルツは今で言う変圧器により電圧を昇圧する仕組みの装置で実験を行ないました。

一次コイルの電流を断続させることで二次コイルに高圧の電気を発生させ、それを放電させることにより断続的な電波を発生させました。

発生させた電波を検出するのには、一部だけ隙間のあるループ状の針金を電波検出器(アンテナ)として利用しました。

その後も、針金ループ検出器の改良などを加え、20mくらいまで電波が伝わることを確認しました。

ヘルツは36歳という若さで亡くなりましたが、多くの業績を残しました。

1930年、周波数を示す単位として ヘルツ(Hz)が採用されました。

技術の進歩

電波の存在が確認されてから、わずか100年と少ししか経っていないことに驚きを感じます。

現在では情報を得たり、発信することもわりと簡単にすることができます。

技術の進歩は、直線状にではなく加速度的に発展していることを実感します。

以上で「電磁波とは何か」の説明を終わります。




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