電波とは？

Question

TV放送、携帯電話 など私たちの生活に溢れる電波。
遠く離れたところからでも 微弱な電波をキャッチし、膨大な情報を伝達することができます。
そこで、素朴な質問なんですが、電波の正体って 一体何なのでしょうか？
粒子みたいなものかもしれませんが、物質でないので質量はありませんよね。

yhr2 · Accepted Answer

No.1です。「お礼」に書かれたことについて。

＞光は黒い物体に当たると吸収されます。それでは、吸収された粒子はどうなるんでしょう。消滅するんでしょうか？ 物質の場合は 消滅はありませんが。

光、電磁波、放射線とも、物質に吸収されるということは、物質にエネルギーを渡すということです。分子の運動エネルギーになったり、分子間結合の振動エネルギーになったり（人間の網膜が光を感じたり、赤外線が「暖かい」と感じるのはこの作用）、原子の軌道電子をはじき出して電離させたり（放射線の人体への影響はこれ）、軌道電子にエネルギーを与えてエネルギー準位の高い軌道に「遷移」させたりします。「波動」としてのエネルギーを相手に渡し、エネルギー保存則が成立します。

これを「粒子」としてとらえた場合には、エネルギーを渡して消滅したり、エネルギーをもらって生成したりします。「光子」は質量のない粒子ですので、通常の物質とは取り扱いが異なります。
　そもそも通常の物体も、E=m*c^2 で質量とエネルギーは等価ので、「物質の場合は消滅はありません」という考え自体が成立しません。

なお、他の質問者さんへのお礼の中に、「電波は電子の振動か」というような話がありますが、そうではありません。電磁波も光や放射線と同じもので、「粒子」としては質量のない「光子」ですから、電子のような「実在の粒子の振動」とは異なります。No.1にも書いた「場」の振動です。「電場」「磁場」などです。
　19世紀までは、光、電磁波を伝搬させる架空の媒体「エーテル」というものが仮定されましたが、そのエーテルの存在が実験で否定され、そこから「光速度一定」を原理としたアインシュタインの相対性理論が提唱されることになったのです。

なお、光は黒い物体に当たると吸収され、その黒体の熱エネルギーとなります。このままずっと吸収だけを続けると温度がどんどん上昇するので、周囲とエネルギー的な平衡状態を保つためには、その温度に相当する「光」を外部に発します。全く光を発しないのはブラックホールぐらいで、通常の黒体は光を発します。
　その黒体から発する光の振動数分布を論じる問題が「黒体輻射」問題で、振動数スペクトルを実験結果と一致させるために、マックス・プランクは有名な「プランク定数」と「離散的エネルギー」という仮説を導入し、それが20世紀の量子力学の出発点になったのは有名な話です。

つまり、「電波」「電磁波」「光」といったものは、実に不可思議で、その実体は分かっていないのです。光は波動でもあり粒子でもあるという「光量子仮説」（アインシュタインは、相対性理論ではなく、これでノーベル賞をもらった）、そして「量子力学」「相対性理論」などは、それぞれ現実に起きていることを説明する「仮説」に過ぎないのです。

興味があれば、こんな本を読んでみてください。500円で買える入門書です。
http://www.amazon.co.jp/%E5%9B%B3%E8%A7%A3-%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96%E3%81%A8%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%AB%96%E2%80%95%E7%89%A9%E7%90%86%E3%81%AE2%E5%A4%A7%E7%90%86%E8%AB%96%E3%81%8C1%E5%86%8A%E3%81%A7%E3%82%8F%E3%81%8B%E3%82%8B%E6%9C%AC-%E4%BD%90%E8%97%A4-%E5%8B%9D%E5%BD%A6/dp/4569649807/ref=sr_1_4?s=books&ie=UTF8&qid=1437038719&sr=1-4&keywords=%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96

fxq11011 · Answer

振動、波動は物質を伝わりますが、物質そのものは伝わる方向には移動しません。
ビー玉を中央がくぼんだレールに一列に何個か互いにくっつけて並べ、最後部に別の一個を転がしてぶつけると、瞬間に先頭の一個が飛び出します。
最後にぶつかったビー玉が先頭まで転がってとび出すよりはるかに速いです。
何かの情報が伝わったのですね。
波動もその情報を伝える媒質が必要です、音なら空気、水面の波なら水です、真空でも伝わるとなると、実は媒質がはっきりしません、その昔はエーテルとも言っていたのかな、最近では暗黒物質、ダークマターの存在がとやかく言われていますね。
＞粒子みたいなものかもしれませんが
というより、観察する限り粒子としての振る舞い？動き？が観察されるだけです、だから粒子かな？。

puyo3155 · Answer

#9です。

電子の流れと、電流の流れが逆であることは、説明の大まかな筋には無関係です。昔、電流が物質の中の電子の流れとはわからなくて、プラスの何かが流れていると考えて電流の向きを定義しました。あとで、マイナスの電子が逆に流れているとわかったのですが、すでに電流を便利に使っていたので、それを続けているわけです。したがって、アンテナに電流を流すと、実は逆向きに電子が移動して電位が変化し電磁波が振動として伝わるのであり、電磁波をアンテナが受信すると、電界方向の振動で電子が揺り動かされ、それで電子の動きとは反対の電流が生じることになります。実は電波を線がなくても伝わるから無線、英語でもワイヤレスといいますが、説明を読めば、先に電波があり、そこに金属が邪魔をしたから電流が流れるわけで、電磁波が先、電流こそ、電磁波妨害閉じこめ電子伝送とでもいうべきです。先に電流を発見し、あとでそれが空を飛んで行くとわかったので、線がなくても飛ぶ無線とかワイヤレスと呼んじゃうわけです。

puyo3155 · Answer

電波は、電磁波です。電磁波は周波数の違いで、X線、ガンマ線、紫外線、可視光線（いわゆる光）、赤外線、電波など、様々に呼ばれますが、みんな同じものです。（ちなみに放射線でも、アルファ線や、ベータ線は、高エネルギーの物質なので、電磁波ではありません）

電磁波は波ですが、海の波とはちょっと違います。海の波は、水面が上下してその動きが伝わるわけですが、電磁波には、具体的に振動する物質はありません。
遠い宇宙から、光が伝わることでわかるように、電磁波は、真空でさえ、振動する媒体なしに伝搬することができるのです。

それでは、何が振動しているかというと、

・　電界が振動して磁界を産み、
・　磁界が振動して電界を生む

ということを交互に繰り返して、伝わる波なのです。

実際に、その振動を作ってみましょう。

・　金属の板を２枚、ちょっと離して固定します。（この部品をコンデンサといいます）
・　この部品に、電池をつなぐと、金属が離れているので電流は流れません。
・　しかし、その間はつないだ電池の分だけ、電気のエネルギーが溜まっています。それが電界です。
・　今度は、そこに交流の電気を流すと、電界がプラスマイナスで変化します。これが電界の振動です。
・　この状態で、コンデンサを、ハの字型に開いていくと、電界の振動が空中に漏れだし、
・　磁界と交互に振動して、空中を伝わるようになります。

イメージできましたか？これが、アンテナです。アンテナは、交流を流すと電界が振動して、効果的に電磁波を空中に放つための装置です。
逆に、電磁波が飛んできたところにアンテナを置くと、つないだ回路に交流の電流が流れます。だからいろいろな情報をやりとりすることが、
できるのですね。（実際には、電磁波に情報をのせるためには、変調・復調が必要ですがそれはまた別の機会に）

というわけで、電磁波は波で質量はありません。

一方で、矛盾するようなのですが、電磁波はエネルギーの粒とも解釈できます。電界の振動と磁界の振動を合わせたエネルギーの伝搬を、
つぶとみなして考えることもできるからなのですが、これをいいだすと量子論や場の量子論すべての説明が必要になります。

場の量子論は、電磁波にかぎらず、電子のような物質も、味方によっては波となります。素粒子全てに、場があり、場の振動が伝わると考えると波となり、
励起したエネルギーの粒が移動していると考えると物質になります。不思議ですが、これは、この世の中の根源に関する問題です。完全に解明されている
わけではありませんが、素粒子の標準モデルとして一定の完成をみています。この感覚がわかると、電磁波の伝搬速度（光速）が、なぜこの世の中で根本
の速さなのかとか、電子と陽子の間に働く、電磁気力とはなにかなど、いろいろイメージが出来るようになります。

yhr2 · Answer

No.7です。「お礼」に書かれたこと：

＞ということは 通常の物体も エネルギーの放出により 質量が減少するということでしょうか？

はい。
https://ja.wikipedia.org/wiki/E%3Dmc2

uen_sap · Answer

何を質問されているかによって、回答の形は違うのですが、
波でもあり、粒子でもあります。

kuma-gorou · Answer

＞交流の電流もものすごく周波数の低い電波と考えていいんでしょうか。

そうです。10万Hzを超えると電磁波として伝搬するようになります。

＞電波とは 原子の陰子が空中を浮遊しているんでしょうか？

あぁ、混乱させてゴメン。（汗）
これは、直流や低周波の交流が、電線を流れる時の説明です。
原子に余分な陰子を与えると、余った陰子が玉突きで次々転送されます。
一方、電磁波は、真空中でも伝搬します。
これは、発生した電気が流れるのではなく、磁界に変わるのです。

kuma-gorou · Answer

＞粒子みたいなものかもしれませんが、物質でないので質量はありませんよね。

電気が流れるのは、原子の陰子を次々に伝わっていくから。
だから、粒子で質量もあります。
ちなみに、電流の流れと電子の流れは逆で、マイナスからプラスに流れます。

fxq11011 · Answer

電磁波ともいわれます、電界（電圧？の強さ、見たいなもの？）と磁界、が波動（振動波）となって空間を伝わります。
電界と磁界の振動（波動）面は直角の関係になっています。
地方のちぇれびアンテナ？水平でなく、縦になっているのを見かけます、波動面が９０°ずれた電波を使っているため。
空中に張った電線に高周（数百ヘルツ以上）を流すと発生します。
低周波でも電磁波は発生しますが、遠くまで届きません。

kuma-gorou · Answer

電波も電線を流れる電気も同じ電気のエネルギーです。
違うのは、物凄い周波数の高い電気の流れです。

周波数が高いと、電線を流れるより空中を伝搬する方が手っ取り早い。
では、どうして電気を伝える物質もない空中を伝搬できるのか？
それは、電気と磁石の間には、切っても切れない密接な関係があるから。

電気が流れると、その周囲に磁界が発生します。磁界が変化すると、そこには電気が発生します。これが、鎖のように繋がって遠くに電気を届ける事ができるのです。
だから、電波は、正確には電磁波と言います。

電波とは？

No.1です。

振動、波動は物質を伝わりますが、物質そのものは伝わる方向には移動しません。

#9です。

電波は、電磁波です。

No.7です。

何を質問されているかによって、回答の形は違うのですが、

＞交流の電流もものすごく周波数の低い電波と考えていいんでしょうか。

＞粒子みたいなものかもしれませんが、物質でないので質量はありませんよね。

電磁波ともいわれます、電界（電圧？の強さ、見たいなもの？）と磁界、が波動（振動波）となって空間を伝わります。

電波も電線を流れる電気も同じ電気のエネルギーです。

関連するカテゴリからQ&Aを探す

デイリーランキングこのカテゴリの人気デイリーQ&Aランキング

マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング