磁石を振ると光が出ている？

Question

磁石を振ると光が出ていると、知ったのですが、
その光の波長は電波のように長くて、眼には捕らえられないようなものなのでしょうか？

その波長はどの程度なのでしょうか？

とすると、例えば、宇宙空間のような摩擦力の働かない空間で磁石を投げると、磁石はその運動エネルギーを光として放出して摩擦力なしに止まってしまうのでしょうか？

metzner · Accepted Answer

ご理解いただいてうれしく思います。
No8の回答の補足に答えます。

磁石でできる磁場の大きさは距離の２乗に反比例しますが、磁石を動かすと、この他に距離に反比例する磁場も発生します。当然こちらの方が遠くまで及びますので、これが通常、放射される場（放射される電磁波）と呼ばれているものです。非常に粗っぽくかくと
磁場　= a/r^2 + b/r
です。rは磁石からの距離です。上式右辺第一項が普通の磁石の場で、第二項が放射される場です。だから今まで述べてきたとおり、磁石を振ればたしかにbはゼロではありません。
問題はこの強さで、例えるならa/r^2が３億円でb/rが３円です。（もちろんこれもかなり荒い見積り（１mくらいで毎秒３回振る場合の）ですので、そのまま額面どおりに受け取らないでください。）がんばって磁石を振ると（たとえば１mくらいの範囲で毎秒数億回くらい振ると）b/rが成長してくるというわけです。
だから原理的に放射の場（電磁波）はありますが、それは３円を握りしめて３億円の買物の夢を語る程度の弱さということです。これが私が電磁波がほとんどでないと言っている感覚です。そして、そんな簡単に長波の電磁波が発生できたら、アメリカはそんな大がかりな対潜水艦通信基地をつくらないことからも納得して頂けると思います。

watch-lot · Answer

＞磁石を振ると光が出ていると、知ったのですが・・・
●磁石を振っても光はでません。

se223 · Answer

たぶん、電磁波は電界と磁界が直交しているから交互に振れば、その振った振動数の空間電磁場（電波）が出ますという意味で、電波も光も同じ周波数軸になりますから周波数が高くなれば光としても見えるということで、人間が出来る事、出来ない事をごちゃ混ぜにして表現していると思います。
光の波長は数１００ナノメートル（１０のマイナス９乗メートル）ですが、磁石を１秒間に１往復振った場合の波長は３０万キロメートルです。
１秒で２往復振れば１５万キロメートルになります。そう考えると振るとしても人間では無理でしょう。
但し考え方を変えれば、磁石を振って発電しＬＥＤを点ける懐中電灯はあります。

metzner · Answer

原理的には時間変動する磁場ですから、時間変動する電磁場ができると思います。ただ、磁石をどのように振るかにもよりますが、手で振ったぐらいならほとんど電磁波はでないと言っていいとおもいます。
だから波長の長い電磁場だから目に見えないというわけでなく、波長の長い電磁波すらほとんど出ていないということになります。（理由は以下に簡単に述べます。マクスウェル方程式の知識が必要です。）

宇宙空間を旅する磁石の話ですが、加速度運動させないといけないと思いますので、書かれているようなことは起こらないでしょう。

波長の長い電磁波すらほとんどでない理由は、電磁波発生に必要な変位電流が無視できるからです。磁石の動く範囲をＬとして、磁石を振る周波数（単位時間あたりに何回振る回数）をｆとし、磁石のつくる磁場の典型的な大きさをHとすると、マクスウェル方程式から簡単な次元解析をして、変位電流の大きさのスケールは(f/c)^2LHとなります。磁場の渦度の典型的な大きさはH/Lです。よって変位電流と磁場の渦度の比は(fL/c)^2となります。この比が１ぐらいのオーダーであれば電磁波が発生します。すなわち
f=c/Lが荒っぽく見積もった電磁波発生条件です。手で振るとしてL=1mぐらいとしますとfは3.0*10^8回毎秒となります。１秒間に３億回振れば波長１ｍくらいの電磁波がでるということになります。16000rpmのバイクエンジンの場合の回転は、毎秒に直すと267回毎秒です。これからいかに早く磁石を振らないと電磁波がでないことが分かります。数ｍくらいのエンジンに磁石をくっつけてエンジン全開で回しても電磁波はほとんど出ないということになります。

metzner · Answer

Ｎo３です。

補足しておきますと、例で磁石をＬ＝１ｍ振るとしましたが、その場合は毎秒３億回磁石を振れば波長１ｍの電磁波がでます。毎秒３億回も振れないので、磁石を１００ｍ振るとすれば、毎秒３００万回磁石を振れば波長１００ｍの電磁が出ます。この場合は毎秒振る回数が減りましたが、今度は振る距離が大きくなります。毎秒３回振って電磁波を発生させるためには、１０万キロメートル磁石を動かす必要があります。すなわち、毎秒振る回数か振る距離のどちらかを人間的なスケールにすると、どちらかはとてつもなく大きくなり（人間では）実行不可能となります。今回の質問では例として磁石を動かしましたが、実は電気を帯びたものを動かす話（電流で電磁波を発生）にしても同様の話が成り立ちます。たとえば波長の長い電磁波（ＡＭ放送など１０００ｋＨｚとして）を放射するには波長程度のアンテナ（数百メートル）が基本的に必要となります。本質は電磁波の周波数fと波長Ｌは独立でなくｆＬ＝ｃ＝光速＝毎秒３０ｋｍという関係があり、光速が我々のスケールにくらべて大きいことに起因しています。　結論として人間が磁石をもっていくら奮闘してもどんな電磁波も実質的に発生できないということです。

metzner · Answer

Ｎｏ４で書いた光速毎秒３０ｋｍは毎秒３０万ｋｍの間違いです。１秒で赤道まわり７周半です。これは人間単体の肉体ではどうしようもない大きさです。これが人間が磁石を握りしめていくら努力してもどんな電磁波もほとんど発生しない理由です。

metzner · Answer

Ｎｏ３の回答の補足について答えていませんでしたので、ここで答えておきます。

＞しかし、磁石を1秒間に3億回振れば、波長1mくらいの電磁波が出るということですね

原理的に発生するといっていいと思います。

＞とすれば、磁石を手で1秒間に3回振れば、波長が10万キロメートルになるのですが、磁石を手で振っても『極極極超長波』は出ていないのでしょうか？

１０万キロメートルの手があれば可能です。

潜水艦の交信に使われるその長波ですが、説明したとおりアンテナはすごく長くなりますよね。
３Ｈｚとして１０万キロメートルの波長ですから。こんなアンテナは地球上ではとりあえず作れないのでアンテナに電気的な細工をしてアンテナの長さをある程度短くすることは可能です。その場合は電磁波放射効率が落ちますので、莫大なパワーをアンテナに入れる必要があります。たしかアメリカで潜水艦と交信するための通信基地計画で、すごい長さのアンテナを地中にうめこんで、発電所一基分の電力で通信するというのがあったように思います。シーファー計画？かなにかです。不確かですがご参考のため。

bankirii · Answer

＞とすると、例えば、宇宙空間のような摩擦力の働かない空間で磁石を投げると、磁石はその運動エネルギーを光として放出して摩擦力なしに止まってしまうのでしょうか？

止まりますが、原理は違うと思ふ。
イオンクラフトの原理が理解できればの話…。

metzner · Answer

No6です。

>振る回数を増やせば、距離を短くでき、振る回数を減らせば、距離が長くなるということですね、このような関連性を初めて知りました。

だいたいそれでいいと思います。

>しかし、どちらにしても、結局は、磁石が1秒間に30万キロメートル毎秒で移動しなければならないということは共通しているのですね、

これは違います。だいたいの桁数をいっているだけで、磁石が光の速さより遅くても大丈夫です。ここからは定量的に話をしないといけないので、どの位遅くてもいいかは簡単には答えられません。最終的にはマクスウェル方程式を解かなければいけません。

>つまり、どんな波長の電磁波を磁石を振って発生させるにしても、光と同じ速度で磁石を往復移動させねばならず、光の速さで移動することが出来ない以上は、事実上は不可能ということでしょうか？

そうではありません。私の答えはあくまでも桁数を荒く見積もっているだけで、光の速さで
動かす必要はないと思います。

>また、磁石を振って電磁波を発生させるための絶対条件によると、磁石を1秒間に30万キロメートル毎秒で移動さないことには、磁石を振る場合に限ってはどんな波長の電磁波も発生しないということになるのでしょうか？

私が書いたのは条件式は絶対的な条件式ではないので、そうではありません。

>例えば、磁石を1m区間を1秒間で6億回往復させることができたら、その電磁波の波長などはどのようになるのでしょうか？

磁石が光速を越えていますね。しかしこの問題を好意的に解釈して１mのサイズの６億Hzの磁流があったと解釈すると、おそらく発生する電磁波は６億ヘルツの電磁波ですから0.5mの波長の電磁波だと思います。

＞例えば、磁石を1m区間を1秒間で2億9999万9999回往復したとしても、電磁波は発生しないのでしょうか？

ここでの説明を読んでいただければ分かるように、おそらく電磁波は十分でてると思われます。

私の見積りはあくまでも荒い桁数をいっているだけです。人間ががんばって磁石を動かしてもほとんど電磁波はでないと言えますが、まったく出ていないとも言えないわけです。用は
大きさの問題です。３円と３億円を比べたとき、３円はほとんど無視できますが、ゼロ円ではありません。私の回答はこの程度の話です。これ以上は実際にマクスウェル方程式と向き合う必要があります。

ORUKA1951 · Answer

とんでもない話になっているようで・・

電荷だろうが、磁荷だろうが加速度運動をさせれば電磁波は発生します。速度じゃありません!!距離でもありません!!
　磁石を紐に結んで振り回せばよいです。横から見たら見事な振動をしています。

問題は、その発生する電磁波のエネルギーです。すでに学んでいるように、波のエネルギーは振幅の2乗と振動数(速度/波長)の2乗に比例します。

人が振り回せる程度の磁力と速度を考えると、理論的には電磁波が発生するとしても、それはそれは小さなものでしょう。

＞宇宙空間のような摩擦力の働かない空間で磁石を投げると
　加速度運動ではありません。マツクスウェルの方程式を理解してますか？

＞磁石はその運動エネルギーを光として放出して摩擦力なしに止まってしまうのでしょうか？ 
　摩擦力はあります。運動エネルギーを光として放出するということは摩擦力ですね、

電荷で考えてください。電荷も磁荷も兄弟ですから
　原子核の周囲を電子が円運動していると、それは加速度運動ですから回転面の方向に電化が振動しています。そしてそれに誘導されて回転面に垂直な軸で磁場が振動しますから、電磁と言う形でエネルギーを失い、電子は速度を失い原子核に墜落するはず。数億分の一秒もかからない
　しかしそうはならない。なぜなら振動は波ですから・・波動方程式を勉強すること。エネルギーと質量は等価だと言うこと

磁石を振ると光が出ている？