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物理基礎

Eテレ 毎週 水曜日 午後2:20〜2:40
※この番組は、前年度の再放送です。

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物理基礎

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今回の学習

第37回 第2編 さまざまな物理現象とエネルギー

身のまわりには電磁波がいっぱい 〜電気と磁気の波〜

  • 物理基礎監修:学習院女子中・高等科教頭 増渕 哲夫
学習ポイント学習ポイント

身のまわりには電磁波がいっぱい 〜電気と磁気の波〜

  • ラジオを聞いているノブナガ
  • プリントを取るとラジオが雑音に
  • AMラジオにロッドアンテナは無関係

ノブナガがラジオ番組「物理科学研究所」を聞いています。
ラジオの下にあったプリントをリコが引き抜いたところ、ラジオが聞こえなくなってしまいました。


父 「ただいま。騒がしかったけど、どうしたの?」

ノブナガ 「ラジオが聞こえなくなっちゃったんだよ。」

リコ 「このアンテナをいじれば直るんじゃないの?」

父 「リコ、そのアンテナは関係ないんだよ。ノブナガが聞いていたのは『物理科学研究所』でしょ?あれはAMラジオの放送で、そのアンテナはFMラジオ用なんだ。」

ノブナガ 「でもAMラジオだって、電波を受信するよね。このラジオの中にアンテナがあるってこと?」

リコ 「きっとそうだよ。でも前に、電波は『電磁波』っていう波だってお父さんが言っていたけど、その波ってどんな波なの?」

電磁波とは何だろう?
  • 電磁波
  • 電気の波と磁気の波

ノブナガ 「『電磁波』って、漢字で意味を考えたら電気や磁気の波ってことかな?」

父 「漢字から意味を推測する……いいね、ノブナガ!間違ってもいないしね。」

リコ 「でも、電気と磁気の波って、2つの波が混ざりあっているってこと?」

父 「どうだろうね。一緒に考えると混乱するから、まず電気の波について考えてみたら?」

電気の波は空間を伝わる?
  • 静電気の反発力が空間を伝わる

リコ 「電気の波かぁ。アンテナでキャッチするってことは、波が空間を伝わってきているってことだよね?」

父 「『空間を伝わる』ね。いい考えだと思うよ!」

ノブナガ 「電気といえば、以前やった静電気でクラゲを飛ばしたのって……。」

リコ 「うんうん、静電気の反発力が空間を伝わった!」

父 「2人とも、だいぶ科学の目を持てるようになったね。簡単な静電気の実験道具があるから見てみようか。」

  • 2本のストロー 1つは針が刺さっている
  • ストローを布でこすり合わせる
  • ストローに触れていないのに静電気で反発して動く

お父さんが用意した2本のストローのうち、1つは針が刺さっています。
針が刺さっているストローは、左写真のようにセットし、手で弾けば簡単にまわるようになっています。

ノブナガとリコはこれらを使って、静電気の力が空間を伝わるのを実験で確かめます。

2本のストローを、それぞれ布でこすり合わせて静電気を発生させます。
針の刺さったストローに、もう1本のストローを近づけます。
すると、近づけたストローから離れるように、セットしたストローが動きました。


ノブナガ 「電気は空間を伝わっているって、証明できたね。」

父 「いいね。でも、ちょっとだけ補足させて。」


お互いに(−)に帯電させたストローを近づけると、反発して動きました。
これは、帯電したストローのまわりの空間が、もう1つのストローの静電気に力を及ぼす空間に変わったからです。
このような空間を電場といいます。

ほぼ瞬間的に電場の変化が伝わっているように見えますが、伝わる速さは光速と同じ約30万km/sです。
電磁波が伝わっているときには、電場の振動が光の速さで伝わっています。

  • 電磁波は縦波?横波?

ノブナガ 「でも、どんな振動をしているんだろう?」

リコ 「あれ?前にお父さんが『電磁波は横波』って言ってなかったっけ?」

ノブナガ 「いや、縦波って言ってなかったっけ?」

電磁波は縦波?横波?
  • つるまきばね
  • 電磁波は横波?縦波?

以前、つるまきばねを使い、横波と縦波を学びました(第24回)。
波の進む向きと垂直に媒質が振動するのが横波で、波が進む向きと平行に媒質が振動するのが縦波でした。

電磁波は、横波と縦波のどちらなのでしょうか?

  • 送信機
  • アンテナ

父 「縦波か横波かを調べるには、送信機とアンテナを使うんだ。ちゃんと電波をキャッチしたら、音が強くなるようになっているんだよ。ヒントは、以前『波は振動が伝わる現象だ』って言ったよね?」

リコ 「うーん。波は振動だから、その振動と同じ向きにアンテナを置けばいいんじゃないかな?」

ノブナガ 「電波の振動の向きとアンテナの向きを同じ向きに合わせるんだね?」

  • 縦波だった場合

父 「まず、ノブナガが主張している縦波の可能性を検証してみよう。どうしたらいいかな?」

ノブナガ 「縦波は波の進行方向と同じ向きに振動するから、アンテナをこうすればいいんじゃないかな?」


送信機から縦波の電波が出たと仮定すると、電場の振動は黄色の矢印のようになります。
その振動の向きに合わせるために、ノブナガはアンテナを寝かしてみましたが、何も起こりません。
残念ながら、電波をキャッチすることができませんでした。

  • 横波だった場合
  • アンテナを立てると受信する

続いて、リコの横波について検証します。


リコ 「横波は進行方向に対して横に振動するから、こうかな?」


送信機から横波の電波が出たと仮定すると、電場の振動は黄色い矢印のようになります(左写真)。
その振動の向きに合わせるために、アンテナも左写真のように前に倒しました。

しかし、電波を出しても何も起こりません。
そこで、右写真のようにアンテナを立ててみると、電波を受信して音が鳴りました。

  • 電場の振動は上下に震動する横波

リコ 「この電波の電場は、こういうふうに上下に振動している横波だって言えるね。」


電波は上下に振動する横波ということがわかりました。
電場の振動は黄色い矢印のようになり、アンテナの向きが一致したので受信することができました。

電磁波は横波
  • 送信アンテナと受信アンテナ
  • 自由電子
  • アンテナの向きが合うと自由電子が揺れる

今の現象を模型で整理します。

透明な筒を、金属の棒のアンテナだとします。
棒の中には赤い玉があり、これは自由電子を表します。

左写真の右側を送信アンテナ、左側を受信アンテナとします。
送信アンテナで電気の振動が起こると、電磁波は横波なので、アンテナの向きが合うと受信アンテナの自由電子が揺れます。

すると、電流がアンテナの中を流れるので、この電流を取り出して、テレビや携帯電話などの音声や映像に変えることができるのです。

AMラジオの受信の秘密
  • AMラジオのアンテナは?
  • AMラジオのアンテナはコイル

ノブナガ 「なるほどね。AMラジオも同じ『電場の波』かな?」

リコ 「でもさっき、このアンテナは関係ないってお父さん言ったよね。」

父 「そのとおり。じゃあちょっとラジオの中身を見てみようか。」

リコ 「ん〜。よくわからない回路と……この細い糸みたいなのって、コイル?」

父 「よく見つけたね。このコイルがアンテナになっているんだよ。」

ノブナガ 「コイルがアンテナになるって、どういうこと?」

父 「それを確かめる方法があるんじゃないかな。」

リコ 「あっ!あの送信機の前にコイルを置けばいいんじゃない?」

電波をキャッチしよう
  •  コイルの受信アンテナ
  • アンテナは垂直

父 「ここに、小さいけどコイルがついているね。今度はこれが受信アンテナなんだ。コイルの向きをいろいろと変えてみるから、2人はよく見ていてね。」


送信機から電波を出して、コイルの向きを変えていくと、音がよく鳴る向きとそうでない向きがあります。
電波の進行方向に対してコイルを垂直にしたとき、最も強く受信しました。


ノブナガ 「本当にコイルがアンテナになってる!」

リコ 「さっき私が受信したアンテナと垂直だね。これって何か意味があるの?」

電場の振動 磁場の振動
  • 回路の左が(−)右が(+)
  • 回路の左が(+)右が(−)

父 「ここにコイルと乾電池の回路がある。リコ、そこの板を左右に動かしてくれる?」


板を左写真の位置にすると、コイルの右側が(+)、左側が(−)になり電流が流れます。
右写真の位置にすると、コイルの左側が(+)、右側が(−)になって電流が流れます。

このように電流の向きが交互に切り替わる動きが、電流の振動です。

  • 電流の振動で磁場が振動している
  • 電場の振動と磁場の振動が空間を伝わっていく

父 「今度はコイルのそばに方位磁針を置いてみるよ。もう一度、小刻みに動かしてくれる?」

ノブナガ 「あっ、方位磁針の向きも小刻みに変化している。」

父 「このことから、電流の振動によって磁場が振動しているのがわかるね。ここで肝心なのが、振動電流が流れると磁場の振動ができる。そして磁場が振動すると電場が生じるということなんだ。磁場の振動が電場の振動を生み、その電場の振動が磁場の振動を生み、それが次々と空間を伝わっていく。その速さが光の速さで伝わっていくということなんだ。」

  • アンテナとコイルが垂直
  • 電磁波のモデル

父 「『電場の波』と『磁場の波』を合わせると、電磁波はこんな姿をしているんだ。青い波が電場の波、赤い波が磁場の波。」

リコ 「アンテナとコイルが垂直だったのは(左写真)、電磁波がこういう波だったからなんだ。」


電磁波は、電場の振動と磁場の振動が空間を伝わっていく波です。
送信所から電磁波が送られると、電場の振動と磁場の振動が同時にやってきます。
電場の振動はロッドアンテナで受けられますが、AMラジオの場合は電磁波の波長が大きいため、送信所のアンテナが非常に大きくなります。
そこで、磁場の振動をコイルで受け取っています。
その際、コイルを磁場の振動の方向に合わせる必要があります。

このように、AMラジオでは電磁誘導で電波を受け取っています。

ノブナガが聞いていたラジオが聞こえなくなったのは、リコのせいではなく、磁場の振動の方向とコイルの向きがずれたためだったのです。
ノブナガがラジオの向きを変えると、再びラジオ番組が聞こえてきました。

電磁波の分類
電磁波の種類

リコ 「ところで、AMとFMではアンテナの種類が違っていたよね。お父さん、電磁波っていろいろな波長があるの?」

父 「電磁波には ほかにもいろいろな波長があって、それぞれ異なる用途で使われているんだ。2人とも、電磁波が使われているものはわかるかな?」

ノブナガ 「電子レンジとか!」

リコ 「GPSとか。」

父 「そうだね。ほかに、たとえばテレビやラジオ放送。これらはみんな電磁波なんだけど、実は波長で分けられているんだね。波長が違っても、電磁波はどれも光と同じ速さで伝わるんだ。」


波長が違うと、特性も変わります。
波長が長いものでは、テレビやラジオ、携帯電話やインターネットといったものに電磁波が使われており、これを電波と呼んでいます。

電子レンジで使われるマイクロ波は、食品の中の水分子を振動させることで食品を加熱しています。

さらに波長が短くなると、赤外線、可視光線、紫外線に分けられます。
光も電磁波の1つで、波長が長いものは赤く、短いものは紫色に見えます。

X線は波長が非常に短く、ほかにも放射線の一種であるγ(ガンマ)線があります。


父 「私たちは可視光線という、この狭い範囲しか見ることができないんだけど、実は赤外線を間接的に見ることもできるんだよ。」

リモコンは赤外線?
  • リモコンは赤外線を出している
  • カメラにリモコンを向ける
  • カメラを通すと赤外線が見える

父 「このテレビのリモコンはここから赤外線を出しているんだよ(左写真)。デジタルカメラの中には赤外線を見ることが出来るものがあるんだ。」

ノブナガ 「本当だ、直接だと何も見えないのに、カメラを通すとチカチカしている(右写真)。でも、これだけじゃ赤外線ってわからないよね。」

父 「ノブナガいいね〜、検証しなければ信じないぞって感じだね?じゃあ、どうすればいいかな?」

リコ 「さっきの図で考えると、赤外線は赤よりも波長が長いっていうことがわかればいいんじゃない?」

父 「素晴らしい!」

  • フィルター越しに青いLED
  • フィルター越しに緑色のLED
  • フィルター越しに赤のLED

青・緑・赤のLEDを使って、赤外線の波長の長さを調べます。


父 「では、青、緑、赤のLEDをこのシート越しに見てみよう。」

ノブナガ 「きれい!花火みたい(上写真)。」

  • レンズにフィルターを貼って撮影
  • 青・緑・赤の順に間隔が広がっている

父 「さっきのカメラのレンズの前に、そのシートを貼ったから、これで撮影してみようか。まずは赤、次は緑、次は青。点の間隔はみんな同じかな?」

リコ 「青が一番狭くて、次に緑。赤が一番広い」


右の画像は青・緑・赤の写真を重ねたものです。
中心の点を基準にして、青・緑・赤の順に間隔が広がっているのがわかります。


ノブナガ 「そうか、波長が長いほど光の間隔が広いんだ。」

父 「ということは、もしもリモコンから赤外線が出ていたら?」

リコ 「赤よりも、間隔がもっと広いはず!」

  • リモコンをカメラで撮影
  • 赤外線は赤よりも広い間隔で撮影される

先ほどのLEDの光と同様に、リモコンからの赤外線を撮影すると、赤よりも広い間隔で赤外線が写っていました(右写真)。


ノブナガ 「本当にリモコンから赤外線が出ているんだね。」

  • 次回もお楽しみに!
  • お父さんのひと言

リコ 「お兄ちゃん!何しているの!?」

ノブナガ 「ラジオの中身がさらに気になってさぁ〜。」

リコ 「お兄ちゃんがお父さんみたくなってる!」

父 「いいぞ!さすが我が息子!」


〜お父さんのひと言〜

物理学者マックスウェルは19世紀半ば、自分が作った方程式を解いて電磁波の存在を予言しました。
いまや、私たちのまわりには、電磁波がたくさん使われていますね。
このような未来の社会を、マックスウェルは想像できたのでしょうか。
あなたは、期待する未来を想像することができますか?
その想像力は、大切なんですね。
その想像力によって、あなたが本当の未来を実現していくのです。



それでは、次回もお楽しみに!

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