電子書籍の厳選無料作品が豊富!

電磁波の周波数と熱について教えて下さい。                              

電磁波の波長とエネルギーについて、雑学として興味があります。
素人でありますが、お付き合い頂けたら嬉しいです。

以下、熱とエネルギーを区別して考えて話を進めさせて頂きます。


【前段 読み飛ばして頂いても結構です 】
以前の質問の中で、
物体の持つ熱は電磁波で放射され、その物体の熱量によって放射される電磁波の波長も変わることを学びました。

熱を持った物質の色と言ったら、炎も含めて、赤や黄色、青などを普段目にします。

しかし、熱を与える電磁波として見たら、やはり赤外線(に近い周波数の電磁波?)だけが物質に熱を与えるように「思え」ます。

コンロの炎の横に手を翳してもあまり熱く感じませんし、多分熱を持った気体が直接触れる事で物を加熱できるのだと解釈しています(熱伝導?)。


【質問です】
そこで疑問なのですが、
電磁波には電波と呼ばれるものから、可視光、X線、ガンマ線など波長の短いものまで幅広く存在しているなか、赤外線だけが熱を伝えるのか、実はそうでは無いのかを知りたいです。

電磁波のエネルギーとして考えた場合、波長が短い方が高いエネルギーを持っていると思っているのですが、可視光やレントゲンなどでは「熱」を感じません。
熱を持ちやすい白熱球についても調べましたが、可視光だけでなく強い赤外線を出しているようです。

熱とは分子や原子の運動量であり、
電磁波のエネルギーを受けて、分子や原子の運動量が上がった結果、熱量が上がると解釈しています。

X線や放射線の類なら「貫通するから」…とも思ったのですが、私の経験上、可視光や紫外線はそんなことありませんよね…。

…と
ここまで書いていて思ったのですが、
反射も貫通もしにくい性質を持っているのが赤外線だったりするのでしょうか…。
しかし、赤外線カメラはカメラの周りから赤外線を照射して、多分その反射で対象を見ますよね…。


以下はオマケ的な要望ですが、
なぜ波長により違いが出るのかも、ご教授頂けると嬉しいです。


後半まとまりがなくなってしまい、申し訳ありませんが、宜しくお願い致します。

質問者からの補足コメント

  • 知りたいところにもう一歩…という事で、申し訳ありませんが、補足させて頂きます。
    なんか、面倒臭いやつになっているような気がしますが、もう少しお付き合い頂けたら幸いです。

    つらつら回りくどく書いてきたのですが、多分これが分かれば一番納得できるような気がします。

    例えば、
    白熱球(赤外線多め)、蛍光灯(紫外線多め?)、LEDライト(可視光域多め?)と
    色々な物質をそれぞれセットにして並べた場合、蛍光灯やLEDライトで白熱球よりも効率よく温まる物質というものはあるのでしょうか。

    また、太陽光がアスファルトを温めるのは、どれくらいの範囲の波長が影響しているのでしょうか。

    電磁波はエネルギーを持っていますが、
    エネルギーの形を「熱」に限って語った場合、照射する波長や対象の物質によって赤外線のように加熱効果を得られる組み合わせがあるのか知りたいです。

    よろしくお願い致します。

      補足日時:2022/04/19 02:00
  • 面倒臭い質問者につきあって頂き、有難うございます。

    難しい解説も出てきたので、理解しながら読み進めております。

    理解に時間がかかるため、お礼や解決が遅くなってしまうと思いますが、ご容赦下さい。

      補足日時:2022/04/19 18:29
  • ここまでの回答を一通り読ませていた巻きました。

    ちょっと内容が難しいものもあり、勝手に解釈して納得している部分が多々あります。

    全然違うとか、ツッコミなどありましたらご指摘ください。


    この質問自体はもう少し待ってから閉じさせて頂こうと思っています。

    詳しい回答を沢山頂き、有難う御座いました。

      補足日時:2022/04/20 18:56

A 回答 (6件)

No.2 です。

「お礼」や「補足」に書かれたことについて。

まずは「熱とは分子の運動エネルギーである」ということ知る必要があります。
そして、電磁波(可視光、赤外線、電波、マイクロ波など)が「加熱」するとは、その波長や振動数が相手の分子にエネルギーを渡すことを意味します。

水やCO2,メタンなどの「双極子構造の分子」に対しては、赤外線の波長がちょうど共鳴してエネルギーを吸収されやすいのです。(それが「温室効果ガス」と呼ばれるゆえんです)
アスファルトも主な分子は石油由来の炭化水素であり、メタン(CH4)などと同じ元素からなる化合物なので、同じような赤外線で熱をもつのだと思います。また、「色が黒い」ということは可視光線を反射せずに吸収しているということなので、可視光線の波長のエネルギーも吸収しているのでしょう。

電子レンジは、赤外線とは異なる振動数の「マイクロ波」を使い、分子に振動エネルギーを与えることで「熱」を与えますが、そのメカニズムは赤外線によるものとは異なるようです。ただ「水分子に運動エネルギーを与える」というところは同じです。

人間や動物の目が「光」を感じるのは、目の網膜内の神経細胞が、可視光線の振動数(波長)の電磁波でエネルギーを受けて、それを脳に伝達するからです。

また、ガンマ線やX線などの放射線は、振動数が極めて大きい電磁波ですが、これは「分子」よりもっとミクロな「電子」にエネルギーを与えて電離させ、生体の細胞内で電離(つまり分子の結合を切断)することで細胞を死滅させたり異常細胞(つまり癌)を作ることで、生体に悪影響を与えます。
この場合には「熱を与える」という現象ではなく「電子をはじき飛ばす」という現象です。振動数が大きいので「波長」が短く、「分子レベル」ではなく「原子の中の電子レベル」の波長で共鳴を起こすと考えればよいと思います。

つまり、電磁波が与える影響とは、その電磁波の「波長」と物質の大きさ(目の網膜細胞の大きさ、水やCO2などの分子の大きさ、原子内の電子の大きさなど)との関係で「エネルギーの受渡し」が行われることによるものと考えればよいと思います。
そのうち「水分子や炭化水素分子に渡された運動エネルギー」が「熱」という現象として現れるということです。
    • good
    • 1
この回答へのお礼

再度わかりやすい回答をいただき、有難うございます。

共鳴とは、分子の振動の周波数と電磁波の周波数が重なってその振幅が大きくなるのかなと捉えて納得致しました。

今回の質問は電磁波から物質の方向にエネルギーが移ることに焦点を当てていましたが、この向きが逆になる事はあり得るのか…。
分子の振幅の大きさと電磁波の振幅の大きさの比較で決定したりするのか…。
この関係によっては、逆に電磁波を増幅するなんてこともあり得るのか…。
これ以上は収集がつかなくなってしまいますので、今回は諦めます…。

「振動数が極めて大きい電磁波 〜 電子をはじき飛ばす」の部分は、周波数が大きく共鳴せずとも波がぶつかる部分が大きいため、そのようなことが起こるのか…。
と勝手に納得しました。

なんとなく波と物質の関係性がイメージできてきた(ような気がする)ので、この辺から少しずつ掘り下げていければ…と思います。



アスファルトは確かに黒かったですね。
赤外線と素材だけに捉われて、その辺は気にしていなかったのですが、言われて気づきました…。
確かに、黒いものは光を吸収して熱くなると言われていますね…。
他にも可視光を吸収すると言われている方がいらっしゃるので、やはり可視光も色が黒いと吸収して熱に変換しやすくなるのでしょうかね。
赤外線と同じ仕組みなのか、それとも別なのか、これも後で追ってみようと思います。



マイクロ波については、他にも回答頂いたので、併せて参考にさせて頂きました。
マイクロ波が「双極性を持つ物質」を温める仕組みについて調べてみました。

マイクロ波の波が通過?した際に、その波の上下?に合わせてプラスとマイナスを持つ位置が入れ替わるような感じで回転すると把握しました。

波動のようなものにこれが当てはまるのか勉強不足なのですが、
上記の過程で波と物質の極極性で引っ張り合って?振幅が減るような気がするので、この流れでエネルギーが渡る事になるのですかね…。

気になる所がどんどん膨れ上がってきてしまいました。
この辺ももう少し勉強してみたいと思います。



視神経も波長を感じているのですね。
犬笛のように、動物や個体によっては人にとっての可視光の外を感じられるものもいそうな気がしてきました。



色々と参考になりました。
重ねて有難うございました。

お礼日時:2022/04/20 18:49

電磁波が物体(誘電体)に照射されて加熱されるモードを誘電加熱と称します。

誘電体とは金属以外の物体です。人間も誘電体です。
似たようなのに誘導加熱というのがありますが、これはまったく別モノです。

どれだけ熱エネルギー(P)になるかというと、次の式のようになります。

P=1/2・ω・ε・tanδ・E^2

ω=2πf(f:周波数)
ε:その誘電体の誘電率
tanδ:誘電正接
E:電磁波の電界強度

電磁波が当たってどれだけ熱エネルギーになりやすいかというと、その物体のεとtanδによります。

たとえば水(純水は除く)はε・tanδが大きいので、水分が多い人体や食品はは加熱されやすいんです。お酒もそうです。

なので、電子レンジでマイクロ波を照射すると、食品やお酒は効率よく温まります。逆にガラス、陶磁器、セラミックスはε・tanδが小さいので電子レンジではほとんど加熱されません。
お皿に食品を載せて電子レンジに入れて加熱すると、食品はよく加熱されてもお皿はほとんど発熱しません。
    • good
    • 1
この回答へのお礼

重ねて回答ありがとうございます。

マイクロ波による誘電加熱についても調べてみました。

これも原理を見てみると面白いですね。
どういった摩擦なのかと思ったのですが、
波の通過(吸収)に合わせて水分子の+と-の部分が入れ替わる(分子が回転する)というようなイメージで理解しました。
なるほどです。

回答頂いた計算式は、
物質にぶつかる回数×物質への伝わりやすさ×物質内での熱への変りやすさ×電磁波の強さ(振幅?)
…とザックリ受けとりました。
関係性がなんとなく分かった気がします。

上は適当に理解してしまっただけなので、後で確信を持てるまでもう少し掘り下げて調べてみようと思います。


調べる中で、水分子がよく例に出されているようですが、「双極性」「双極子」などという言葉が出てきました。

これって、今回の質問に対する回答の中にも出てきました。
赤外線加熱の原理とは確かに違ったのですが、電磁波で熱が伝わりやすい物質というのはある程度決まっているということなのでしょうかね…。

この辺ももう少し調べてみようと思います。

ありがとうございました。

お礼日時:2022/04/20 01:49

補足についてのみ



白熱球よりも効率よく暖まる物質というのは無いと思います。熱として検知されるのは、赤外線領域の電磁波長ですから、これより高エネルギーの光を当てても、なかなか温まりません。例えば、紫外線を効率よく吸収反射する日焼け止めの成分なども、熱に変えてしまったら暑くて夏場に使えなくなります。放射失活という熱にならないエネルギー放出過程があり、これにより多くのエネルギーを放出してしまうので、温まりにくいです。

アスファルトはほぼ全ての光を吸収していると思います。黒っぽい色は、可視光の殆どを吸収します。

水と2.4GHzの電磁波(もう少し高い周波数が吸収のピークなのですが、工業利用を許される周波数帯を利用している)を利用する電子レンジのように、分子レベルの誘電損失を熱として利用する組み合わせがありますね。
    • good
    • 1
この回答へのお礼

放射失活について調べてみました。
専門の方からしたら大した内容ではないのでしょうが、それほど関係ないと思われた前の質問との接点が現れて、軽く興奮しております。

>熱として検知されるのは、赤外線領域の電磁波長ですから、これより高エネルギーの光を当てても、なかなか温まりません。

納得致しました。
端的に知りたかった結論はまさにこれです。

ほかにも要素がありそうですし、まだ読めていない回答もありますので、もう少し自分の中で整理したいと思います。

有難うございました。

お礼日時:2022/04/19 18:14

白熱球よりも効率よく温まる…という意味は、その発熱体(白熱球、蛍光灯、LEDライト)自体がよく温まるということですか? それともそこから発せられた電磁波(光線など)を浴びた人間が温められるということですか?



波長が数mmくらいから数10cmくらいの電磁波が体内で熱になりやすいと思われます。電子レンジで使われているマイクロ波などがそうです。
    • good
    • 1
この回答へのお礼

再度有難うございます。

電磁波の加熱に関する特性を知りたいです。

電磁波を照射する対象は、人間や水、二酸化炭素などに限らず、赤外線以外の電磁波でも、対象の物質が違えば「熱」としてエネルギーを伝える事ができるのかを知りたいです。

アスファルトの例も、それを目的に挙げさせて頂きました。
人体でないアスファルトが日光で温まるのは、赤外線の影響なのか、それとも他の波長の電磁波の影響なのか。

電磁波がエネルギーを持っているところまでは分かるのですが、
「熱」といえば赤外線なのか、そうでないのか。

最終的には、電磁波に関わる事象の根本的な原理を知りたいのですが、まずは赤外線と熱について勉強してみたいと思った次第です。


電子レンジのマイクロ波は、
分子の振動による摩擦熱と認識しているため、別物と考えています。

お礼日時:2022/04/19 08:30

>赤外線だけが熱を伝えるのか、実はそうでは無いのかを知りたいです。



電磁波はどんな振動数であってもその振動数と振幅で決まるエネルギーを運びます。
赤外線は、生体にあたると皮膚近辺の「水分子」にエネルギーを与えやすい振動数なので、生体・人間にとって「暖かくなった」ように感じます。

これは、CO2 が赤外線付近の振動数のエネルギーをため込んで「温室効果ガス」となるのと同じように、H2O がいわゆる「双極子」構造の分子であることによります。

https://butsurimemo.com/global-warming/

人体にとって「暖かい」と感じるのが「赤外線付近の振動数」であるだけであって、赤外線だけがエネルギーを運んでいるわけではありません。
    • good
    • 1
この回答へのお礼

とても分かりやすいです。
面白いサイトも教えて頂き、有難うございます。

もう少し分からないところ…というか今回一番知りたいところが残っており、補足させて頂きます。

恐縮ですが、余裕があるときにでもお付き合い頂けたら幸いです。

お礼日時:2022/04/19 01:35

電波は正しくは電磁波です。

「電磁波には電波と呼ばれるもの」があるわけではありません。

すべての電磁波はエネルギーを伝えます。赤外線だけが熱を伝えると思うのは、人体に赤外線が当たったときに適度な深さに体内に浸透して熱になるからです。

紫外線は人体に当たったときに体の表面(皮膚)で熱エネルギーになってしまい、日焼けはしても温かいとか熱いという感覚ではなくなります。

ラジオ波(中波とか短波など)も電磁波(電波という人がいる)ですが、これが人体に当たると一部は人体内で熱エネルギーになりますが、貫通するものが多くなります。

「赤外線カメラはカメラの周りから赤外線を照射して、多分その反射で対象を見ますよね…」は違います。人体そのものが赤外線を発しています。
    • good
    • 1
この回答へのお礼

ありがとうございます。

やはり対象に吸収される波長があるのですね。

紫外線その他についてまだ疑問が残っており、補足させて頂こうと思います。
恐縮ですが、お付き合い頂けたら幸いです。

お礼日時:2022/04/19 00:52

お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう!