真空中を電磁波が伝わる理由は？

Question

電磁波とは何かを分かりやすく説明してください。
電場と磁場が交互に伝わると言いますが、真空中でも電波が伝わるのはなぜですか？よく分かりません。
光も一種の電磁波といいますが、いわゆる電波とどう違うのですか？
高校や中学のレベルでも分かるような説明をお願いします。
それとなぜ電磁波が体に良くないのですか？

携帯電話のSAR＝比吸収率とはなんですか？
分かりやすい説明をお願いします。

shkwta · Accepted Answer

＞真空中でも電波が伝わるのはなぜですか？

真空は何もない空間ではなく、さまざまな物理的性質をもつ空間です。電磁場は、真空が持っている性質です。電磁場の変化は波動として伝わりますが、これが電磁波です。

真空が電磁場という性質を持っているのはなぜか、という問いはあまりにも根本的です。宇宙は人類誕生以前から存在し、この宇宙においては真空が電磁場という性質を持っていたからこそ生物が発生し、人類が誕生したといえます（生物体内の活動はほとんどすべて電磁相互作用に関係しています）。したがって、われわれの宇宙では、真空とはもともとそのような性質のものなのです。真空中を電磁波が伝わるのはなぜかと問うならば、それは「宇宙とはなぜこのような姿・性質で出来上がったのか」という根本的な問いになります。

＞光も一種の電磁波といいますが、いわゆる電波とどう違うのですか？
電波と光は、同じ速さで伝わります。速さと波長と振動数の間に、次の公式が成り立ちます。

波長×振動数＝速さ

電波は波長が長く、振動数の小さい電磁波です。光は波長が短く、振動数の大きい電磁波です。
電磁波は、波長の長いものから、電波→赤外線→可視光線→紫外線→Ｘ線・γ線と区別します。

＞それとなぜ電磁波が体に良くないのですか？
電磁波がエネルギーの一つの形だからです。その作用は波長（振動数）によって異なります。
γ線は遺伝子を破壊します。
可視光線でもものすごく強ければやけどをします。

＞携帯電話のSAR＝比吸収率とはなんですか？
携帯電話を頭に近づけたときに、頭部の肉体のどこかの部分10 g が6分間に吸収する電波のエネルギーのことです（特に局所SARといいます）。このエネルギーを単位ジュール(J)で表わし、10g=0.01kg, 6分=360秒で割ると、W/kg という単位であらわすことができます。携帯電話のSARは、2 W/kg 以下に規制されています。
http://law.e-gov.go.jp/htmldata/S25/S25F30901000018.html
ここの第十四条の二です。

よくわからなかったら補足してください。

piricara · Answer

＞電場と磁場が交互に伝わると言いますが、

電流の流れている銅線の周りには、磁場ができます。
銅線の電流を変化させると、その磁場の大きさ、向きも変化します。

磁場が変化すると、その変化に応じた電場ができます。つまり、
電場の変化により、すぐ隣の場所に磁場が起き、その磁場の変化により、また隣に電場が起き、また隣に磁場が起き、と永遠に続いて伝播するのが電磁波です。

この変化する周期により電磁波はいろいろな性質を持ちます。周波数が高くなるほど、直進性が増すなどの性質があります。

物質によって、電磁波を透過したり、反射したり吸収したりとこれも物質や、周波数によって性質が異なります。電磁波を吸収した場合、その大半は熱に変化します。これを利用すると、電子レンジができます。反射を利用すると、レーダーができます。
電子レンジと同じ周波数の電磁波を浴びると、体内で発熱が起き、死亡の危険もありますが、周波数が異なると、人体への影響も異なります。

携帯電話は、頭部に近づけて使用しますが、アンテナの形状や、機器に取り付けられている部分によって、人間の体が吸収する量が異なります。これをカタログ等に明記するよう法律で義務付けられたので、吸収する量が記載されています。
携帯電話の発信する電波により人体にどれほどの影響があるかは、わかりませんが、人体に吸収されにくい形状の携帯電話のほうが、圏外になりにくいかも知れませんが．．．

shkwta · Answer

No.1です。
＞さまざまな物理的性質をもつ空間

真空の物理的性質は、空間の各点に属性があると考えればいいと思います。電磁場、重力ポテンシャル、これらを含むエネルギー密度などです。

たとえば、地表から物体を持ち上げるにはエネルギーが必要です。このとき消費されたエネルギーはどこへ行ったのでしょうか？物体や地球の構造・組成そのものは変化していませんので、その中にエネルギーが蓄えられているわけではありません。このエネルギーは、地球と物体の間の真空に蓄えられています。

引き合っている磁石と磁石を引き離すときも同様です。

乾電池に豆電球をつなぐと点灯します。乾電池から豆電球にはエネルギーが移動しているのですが、そのエネルギーは電線の中ではなく、電線の周りの真空を流れています。

＞真空とは何もない空間ではありませんか？

物質は無くても、性質はあるということです。もう少しいえば、物質の性質は、真空の性質と深い関係があります。たとえば、鉄のかたまりを手で触るとき、手は鉄の中にもぐりこめないので、そこに物があると感じます。なぜ、手は鉄の中にもぐりこめないのでしょうか？それは、手を構成している素粒子と、鉄を構成している素粒子の間の電気的な反発です。この電気的な反発を伝えているのは真空です。物質がある、と感じられること自体が、真空の性質です。

＞電磁場の変化が波動として伝わるということが

マクスウェルの方程式から示せるのですが、ここでは簡略化して示します。
地上から鉛直上方向に伝わる電磁波を考えます。空間座標は、鉛直上方向x、東方向をy、北方向をzとします。時間をtとします。電場Eはy方向、磁場Hはz方向とします。
電場、磁場は、水平方向には均一とします。

∂は偏微分の記号で、ある変数を固定して別の変数で微分することを表わします。
たとえば、Hはxとtの両方に依存しますが、∂H/∂xは、tを固定してxで微分することを意味します。

アンペール・マクスウェルの法則により、電場の時間変化と磁場の空間変化は比例します。
∂H/∂x = -ε。∂E/∂t

ファラデーの電磁誘導の法則により、電場の空間変化と磁場の時間変化は比例します。
∂E/∂x = -μ。∂H/∂t

定数のε。は真空の誘電率、μ。は真空の透磁率と呼ばれています。
上の式をxで微分し、下の式をtで微分すると(xとtの微分の順序は交換できます）、

∂^2H/∂x^2 = -ε。∂^2E/(∂t ∂x)
∂^2E/(∂t ∂x) = -μ。∂^2H/∂t^2

下の式を上の式に代入すると、

∂^2H/∂x^2 = ε。μ。∂^2H/∂t^2 [ア]

式[ア]は波動を表わすのですが、簡単に確かめてみます。

H = A sin 2π(ft - x/λ)　[イ]

これは、x方向に伝わる振動数f, 波長λ,　振幅A　の波動の式です。これを[ア]に代入します。

[イ]を、tを固定してxで2回微分：
∂^2H/∂x^2 = -A ((2π)^2 /λ^2)sin 2π(ft - x/λ)

[イ]を、xを固定してtで2回微分：
∂^2H/∂t^2 = -A ((2π)^2 f^2)sin 2π(ft - x/λ)

これらを[ア]に代入しますと、
ε。μ。= 1/(fλ)^2
が成立するとき、[ア]が成立することがわかります。

fλは波の速さですので(No.1参照)、

fλ=1/√(ε。μ。)

すなわち、[ア]は上の式で表される速さで伝わる波を表わします。ε。,μ。の値を入れると、fλは光速として知られている値に一致します。これは、光が電磁波である有力な証拠とされたものです。

上の計算でもわかるように、中学生ではちょっと無理です。高校生で、三角関数の微分計算を学んだ人なら、なんとか理解できるでしょう。

よくわからないときは補足してください。
本格的に知りたい場合は、電磁気学の入門書を読めば、詳しく説明されています。

ojisan7 · Answer

中学生や高校生に納得させるような、簡単に説明させていただいて、よいでしょうか。

磁力は空気中でも伝わりますね。
では、空気を抜いた空間ではどうでしょうか。（普通空気のない空間を「真空」と呼んでいます。）
空気がなくても磁力は伝わるはずです。（磁力は空気が原因ではないからです。）

電気力も同様です。

磁力と電気力が真空中を伝わるのですから、当然電磁波も伝わるのです。

ojisan7 · Answer

【電気力が真空を伝わるというのはちょっと分かりません。】

ということですが、磁気力も電気力も同じです。磁気力は磁石で考えればいいし、電気力は静電気で考えればいいのです。

静電気を考えてみて下さい。プラスチックの下敷きを髪の毛で擦ると、静電気が起きますね。その下敷きを、髪の毛から離すと、静電気力が働きます。

この、静電気力は空気がなくても、働くはずです。（静電気力は空気が原因ではないからです。・・・このことは中学生に充分わかるはずだと思います。）

shkwta · Answer

＞具体的な実験など素人に分かる説明をしてください。
電波が真空中を伝わるということであれば、惑星探査機と地球の間でちゃんと交信ができていることでもわかると思います。

（もっといえば、光も電磁波なので、遠くの星の光が見えるということ自体、電磁波が真空を伝わるという実験になっています。）

＞筋肉を動かせば、答えは熱に変化したのではないですか？
熱のことは説明と直接関係はありません。
物と物が接触するとか、目で見て物があるとわかるなどの現象、また筋肉の働きも、電磁気力の作用です。

＞真空が関係するとは理解できないのですが
原子は原子核と電子でできていて、相互に電気力を及ぼしあっています。他の原子の原子核や電子との間でも電気力を及ぼしあっています。ところが、原子核や電子の周囲の空間は真空です。その真空の空間が電気力を伝えています。

＞電磁波とは、数式を使わないと理解できない世界なのでしょうか？
電磁波に限らず、一般に波を扱うには、最低、三角関数とその微分が必要です。

よくわからないときは補足してください。

shkwta · Answer

No.6の補足です。

＞筋肉の働きはタンパク質によると思いますが。

視点をだんだんミクロにしていけば理解できると思います。
タンパク質は原子の集まりです。原子と原子はどうして結合するのか、といえば、原子核と電子の間に働く電気力、原子核相互・電子相互に働く電気力をトータルに見て、もっともエネルギーの低い位置付近に原子が落ち着くということで説明できます。

筋肉は２つのタンパク質の間に働く力で動きますが、この力もミクロに見れば、タンパク質をつくる原子の間に働く力であり、その本質は原子核・電子に働く電気力です。

では、原子核や電子は互いにどのようにして電気力を及ぼしあうのでしょうか。この場合、原子核や電子が浮かんでいる空間そのものは真空なのですから、真空を通して電気力を及ぼしあっているとしか考えられません。原子核や電子はきわめて小さいものと考えられ、簡単にいえば「原子の中はほとんどスカスカの真空」です。

真空中を電磁波が伝わる理由は？

＞真空中でも電波が伝わるのはなぜですか？

この回答への補足

＞電場と磁場が交互に伝わると言いますが、

この回答への補足

No.1です。

この回答への補足

中学生や高校生に納得させるような、簡単に説明させていただいて、よいでしょうか。

【電気力が真空を伝わるというのはちょっと分かりません。

＞具体的な実験など素人に分かる説明をしてください。

この回答への補足

No.6の補足です。

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