電磁波について。 電磁波は、変化する電場と磁場がお互いに相手を作りあって空間を伝わる。と教科書に書い

電磁波について。
電磁波は、変化する電場と磁場がお互いに相手を作りあって空間を伝わる。と教科書に書いてあります。また、電磁波の様子として電場と磁場が直交した図が載っています。ここで質問なのですが、電場と磁場は波動なのでしょうか？また、電磁波の波形はどうやって求められるのでしょうか？物理の知識はまだほとんどありません。高校の教科書レベルでお答えを頂けたら嬉しいです。

質問者からの補足コメント

• 電磁波は電場と磁場の合成で得られるのでしょうか？

    補足日時：2017/11/10 14:14

No.5 ベストアンサー 回答者： tknakamuri 回答日時： 2017/11/11 08:45

>電場と磁場は波動なのでしょうか？

波動というのは現象です。電磁場は波動を伝えることが可能で、
この波動は、「光」とか「電波」とか呼ばれています。

>また、電磁波の波形はどうやって求められるのでしょうか？

有名なマックスウェルの方程式を解くことになりますね。
偏微分方程式なので、高校生にはきついですが・・・

No.7 回答者： CaF2 回答日時： 2017/11/11 17:42

＞電磁波は電場と磁場の合成で得られるのでしょうか？

あ、なるほど、そこですね！。するどいですね！
電場と磁束密度は、電磁波と呼ばれる状況（光速で飛んでいる波）では、独立に存在することはありません。

電磁波を電気回路的に産む場合には、電場か磁場どちらか片方で可能です。
それは、電場や磁場は、自由な空間を独立に走り始めたら、もはや（相対論や場の理論の下で）電磁波の形になるしかないからです。

たとえば、アンテナに、電場をｓｉｎ波の形にかければ、電磁波がアンテナの外に飛び出していきます。
磁場をかけるアンテナもあります。
全ては、電場と磁束密度の上位概念の「フォトン（ベクトルポテンシャル）」が、電磁気力の基本要素で、それが光速で飛んでいくからです。

たとえば、自由電子レーザーというレーザーは
静的な磁場（複数）に、電子のビームを高速でぶつけることで、磁場がエネルギーを持って、エネルギーの揃った光：レーザとなって飛び出していきます。

変化しない電場や静止した磁場というのは、見ている人にとってだけ、たまたま時間的変化しないように見える、電気現象だと考えてもよいでしょう。
遠くの星からみたら、あなたの居た所の電場なんて、地球とその星との相対的な速度によって、変化しまくっているという事を想像すると、電磁波の現象が「相対的」であるという悟りに近づくと思います。

No.6 回答者： CaF2 回答日時： 2017/11/11 16:27

優秀な方だと思うので、高校を卒業して大学の教科書の最初の１冊を読み始めたくらいのの言葉で答えさせていただきます。

1 波動という考えでOKです。
①　電線電流現象や、電波から光程度の、波長の長い電磁波では、電磁波は波としての性質が中心になります。よく言う「光は波であり粒子である」という言葉のうち、波で説明できる事がほとんどです。粒子性が問題になる電磁波は、一部を除き、Ｘ線やガンマ線になります。
②　電場と磁束密度は、ファラデーの法則とマクスウエル・アンペールの法則に従って、互いを変調しあい、同じ周波数の波として直交行して、横波として進んで行きます。
③　なんで電場と磁場の２つの波があるか？と哲学的疑問がでたら、「電場と磁束密度を決めている、ベクトルポテンシャル（フォトン）という上位概念が、実は電場と磁場にはあるんです」という答えが、その先にあります。

２　では「波動である」とは、どうゆ～事でしょうか？
　「波」という概念は、人類が古代から確立した「イメージ」にすぎず、「電磁波が波動である」という言葉と、人間の波のイメージは、完全に一致するわけではありません。
　しいていえば、周波数が決まれば、時間変化が、ｓｉｎやｃｏｓで表せられる！という程度の意味でしょう。

３　では「波の形」とは何でしょうか？
　周波数が一定に決まっている、無限に続く波は、ｓｉｎの形以外ではありません。
　音を伝えるラジオや、電線を伝わるデジタル信号が、変調波だったり、矩形だったりするのは、いくつもの周波数の波が重なっているからに違いありません。
ですから、電磁波の波形を求める、一番基本的な方法は「その波が、どの周波数でできているか？」という計測をする事になります。

４　波形を求める具体的方法
①　ＧＨｚ程度までの、比較的遅い周波数の波は、アンテナなどで受けて電線電流にしたあと、増幅してオシロスコープで、直接数値化する事ができます
②　ＴＨｚ程度までの、電気現象と光学現象の間のあたりは、デジタル計測だけでは無理な所があるので、うまく相関計算やサンプリング技術を使ってがんばります。
③　光の周波数程度になると、電気現象で測るのは困難なので、周波数がわかっている光との相関や差分を測る事で、周波数を測る事ができます。ただし光は、電場の形ではなく、エネルギーの形だけわかればＯＫな事が多いので、フォトダイオードなどの光量計で測る事が多いのです。

No.4 回答者： doc_somday 回答日時： 2017/11/10 18:35

電磁波は形式的に二つの電波と二つの磁波が同じ時間軸上を進行します。

ですので偏光が生じます。さらに二つの波を時間的にずらすことが出来るので、位相のずれが生じます。

No.3 回答者： yhr2 回答日時： 2017/11/10 10:00

電磁波に「振動数」や「波長」があることから分かるとおり「波動」です。

何が揺れているのか。
19世紀までは「宇宙全体（真空中も）を満たすエーテルという物質」の振動と仮定されていました。ということは、エーテルに対する運動の方向によって電磁波・光の速度が変わるはず、として実験されましたが、結果は「方向による光速度に差がない」ということでした。（マイケルソン・モーリーの実験など）。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%A4 …
http://www.px.tsukuba.ac.jp/~onoda/butsurib1/nod …

これにより「エーテル」という存在は否定されました。その実験結果に基づき、アインシュタインの相対性理論が提唱されています。
この結果、電磁波・光は「空間」という「場」そのものの振動と考えられています。「電場」「磁場」の振動ということです。
「振動」であれば、「速さ」「振動数」「波長」「振幅」（強さ）が分かれば「波形」（時間と座標との関数）が求められます。

電磁波の図は「電場と磁場が直交した図」で書かれることが多いですが、これは「概念的な波形」であって、空間上に「直交して」存在するわけではありません。

「波動」というものは、空間を「有限の速度」で伝わるものです。
高校物理で習う「万有引力の法則」F = GMm/r^2 は、遠く離れたところにある2つの物体間で、たとえ宇宙の果てと反対側の果てでも瞬時に力が伝わるイメージですが、実はそうではありません。現在では、「瞬時に伝わる＝遠隔作用」に対して、「場の歪みが伝搬して伝わる＝近接作用」という考え方が主流です。今年ノーベル賞を受賞した「重力波」というのもそういう考え方です。
https://www3.nhk.or.jp/news/web_tokushu/2017_100 …

電磁波・光は重力波とは違いますが、「電場」と「磁場」という「場」が相互に「近接作用」で影響し合いながら伝搬していくのです。

No.2 回答者： 裸坊達 回答日時： 2017/11/10 09:25

高校で習う電気の知識を総括してまとめたものが、マクスウェルの方程式というものです。

この方程式は偏微分方程式というもので高校では扱えませんが、ここから電場と磁場が相互作用しながら波動として空間を伝わっていくという解が求められます。電場も磁場も何もない真空の空間を伝わっていくということで、それまで知られていた波とはずいぶん性格が異なっています。当時は波を伝えるためにエーテルという仮想の媒体があるものと考えていましたが、それはアインシュタインの特殊相対性理論で否定されます。マクスウェルの方程式を理解することは電気を学ぶ上の最終的目標の一つでしょうね。

No.1 回答者： t3kt3kt3k 回答日時： 2017/11/10 04:53

答えはパナウェーブ研究所に問い合わせですね。