電磁波の電場と磁場の振動方向は何故垂直か？

Question

電磁波の電場と磁場の振動方向は何故垂直と言えるのでしょうか。
例えば金属板に対して磁石を近づければ渦電流が発生します。
これでなんとなく磁場の振動方向に対して、電場が垂直であることは
わかります。
しかし、電場が変化すると、何故電場の振動方向と垂直に磁場が発生
するといえるのでしょうか。これを確かめる実験はあるでしょうか。

あと電磁波や光は横波、縦波の両方の性質がとどこかで聞いた気がしますが、
間違いないでしょうか。横波であることは偏光板や金属格子を使って
90°ずつ回転させていけば実験できるかと思いますが、縦波かどうか
はどうやってわかるのでしょうか？

よろしくお願いいたします。

ORUKA1951 · Accepted Answer

電磁波は横波です。縦波ではありません。

簡単な発生原理を説明しておきます。垂直のアンテナを考えます。アンテナの真正面から眺めているとします。
1)　｜
　　｜
　　｜
2) ＋　上下の電荷が上方に移動し上が＋になります。
　　｜
　　｜
　　｜-
3)
　　↑　　電場の変化
　　↑
　　↑
3) 　　　それと直角に磁場が変化します
　　 ￤
　→→→
　　 ￤
4)　　　磁場が変化したので、電場が変化します。手前のものだけ示す
　　 ↓
　→↓→
　　 ↓
5) 　　電場が変化したので磁場が現れます。
　　 ↓
　←←←
　　 ↓
6) 　　磁場が変化したので電場が現れます。
　　 ↑
　←↑←
　　 ↑
・・・・この繰り返しが電磁波です。
　これは、この空間・宇宙・真空の性質であって、その空間に荷電粒子や磁気を持つものがないと振動--波として伝わっていく事が分かると思います。添付図に以前作成したイメージがありましたので上げて起きます。

このことから、波の進行方向に対して媒介(電場と磁場)の偏移が直角である横波であることが理解できると思います。

先の質問でコンデンサで電場を変化させると電磁波が発生するのかという質問をされていましたが、それを利用したものが同軸ケーブルです。同軸ケーブルの外皮と芯線の間に電圧をかけると磁場が発生しそれが波として同軸ケーブル中を進行していきます。
　磁場なり電場の振動があれば必ず電磁波は発生します。

tadys · Answer

＞受信したのか判断できないと思います。この実験で極板間で発生した電磁波がコイルに伝わったと言える理由はあるのでしょうか。 
確かに、電極間で発生した電磁波が伝わったと断定はできないでしょう。
しかし、同時に電極間で発生した電磁波が伝わっていないとも断定はできないでしょう。
この違いを検出できる実験を構築できるかと言うと難しいのではないかと考えています。

確かめてはいませんが、おそらくヘルツの実験の場合は電極（放電ギャップ）を短絡すれば電磁波は発生しないでしょう。
もしそうであれば、ヘルツの時代の人が電極から電磁波が放射されていると考えるのは自然な事と思います。
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k3dennjiha/hzexpdenjiha.htm

電極間で放電させることでインパルスを発生させ、その中に含まれる周波数成分のうちコイル、蓄電球などで共振する成分を電磁波としているものと思われます。
現在では、電磁界シミュレータを使えば、具体的なコイル、コンデンサ、電線などを配置したもののどこからどのような電磁波が放射されているかを目に見える形で示してくれます。

tadys · Answer

No.1です。

＞ガウスメーターが負の数値と正の数値を繰り返すように変化すれば
ガウスメーターで交流磁場を測定しても正と負を繰り返す用には表示してくれません。
絶対値または実効値（RMS値）を表示します。

＞例えば家庭用の電源で2つの極板に電圧をかけます。
これがあなたが考えた実験方法ですか。

電極間の誘電体の誘電率をε、電極の面積をS（単位はｍ）電極間の距離をｄ（単位はｍ）とすると静電容量は、Ｃ＝εＳ/ｄ [F] となります。
空気の誘電率は約 ８．９×１０＾－１２[F/m]なので、１０cm角の電極を１０cm離したコンデンサの容量は約０．８９ｐFになります。
このコンデンサにAC１００V６０Hzを加えた時に流れる電流は約０．０３４ｕA、１００ｋＶの電圧でも０．０３４ｍAです。
こんなに少ない電流では、まともに検出できないでしょう。

別の問題も有ります。
電極につながる電線も磁場を発生します。
運よく磁場を検出できたとしてもそれがコンデンサが発生したものか電線が発生したものかをどうやって区別するのですか？
区別できないのであれば、コンデンサが磁場を発生するともしないとも断定できません。

ddtddtddt · Answer

相変わらず、頑張ってますね。その努力は、決して無駄にならないと思います。きっと財産になりますよ。

ところで電流さえあれば、たとえ電流が時間変動しなくても（一定でも）、磁場が発生する事はわかってますよね？。

じつは電場の時間変動は、電流と同じで、電束電流と言われます（古くは電気変位電流と言われました）。たとえ空間に電子の流れがなくても、電場の時間変動さえあれば磁場が発生します。完成されたアンペールの法則では磁場の原因は、電子の流れである（真）電流と電束電流になります。それがわかったのは、電磁気学完成のちょっと前でした。

従って、静的に電荷を貯めてるだけのコンデンサーの電場は時間的に一定なので、磁場を発生しませんが、放電してるコンデンサーなら磁場を発生します。発生しますが電束電流は電場の大きさに比べて、非常に微弱なので一般には無視します。また、電場の時間変動が時間的に一定なら（一定速度なら）、一定電流と同じなので、時間変化のない磁場しか発生しません。

という訳で、発生した磁場も無視し得ない時間変動を起こして無視し得ない電場を新たに発生させ、無視し得ない電磁波を観測できるためには、コンデンサーに相当な高周波電圧をかけないと駄目だろうと、想像できると思います。

電束電流の存在が理論的にわかったのは、電磁気学完成のちょっと前だったのですが、それ抜きの状態でも電磁気学は、通常のあらゆる交流回路の交流理論としての基礎を提供します（そのような歴史的経緯が実際です）。そのような理由（電束電流を交流理論の範囲では無視し得る事と、歴史的経緯）から、高校レベルでは電束電流は教えられていません。いくら調べても、高校範囲では、あなたの疑問には応えてくれないと思います。

現在では、電磁波の実証実験（最初はヘルツ）の成立こそが、電束電流の存在と示すものと考えられています。

tadys · Answer

＞電場が変化すると、何故電場の振動方向と垂直に磁場が発生するといえるのでしょうか。
物理学ではこの様な「何故」と言う質問には答える事は出来ません。
実験した結果そうなったと言うだけです。

＞これを確かめる実験はあるでしょうか。
沢山ありますよ。
通常の人は、電線のそばに方位磁石をおいて電線に流れる電流をオンオフして方位磁石が動くことで納得するんですが。
あなたがこれで納得できないとしたら、自分でどんな実験ならば納得できるか考えて実験を組み立ててください。
科学の発展はその様にして起きるのですから。

＞電磁波や光は横波、縦波の両方の性質が
縦波成分が無いわけでは無いです。
http://www.hitachi-cable.co.jp/about/publish/kenkyu/__icsFiles/afieldfile/2011/04/21/r2.pdf
http://ci.nii.ac.jp/naid/110003335674

＞縦波かどうかはどうやってわかるのでしょうか？
偏光現象が無ければ横波では有りません。

水面を伝わる波は水が円運動をするように動くので縦横両方の性質を持ちます。
http://buturi.hiro.kindai.ac.jp/buturi/Wave/wave.html
水面を伝わる波は重力の作用で発生するので「重力波」と呼ばれます。（相対論の重力波とは別です）

固体の表面を伝わる表面波と言うものも有ります。
http://contest.thinkquest.jp/tqj2000/30295/mechanism/earthquake/surface.html

電磁波の電場と磁場の振動方向は何故垂直か？

電磁波は横波です。

＞受信したのか判断できないと思います。

No.1です。

相変わらず、頑張ってますね。

＞電場が変化すると、何故電場の振動方向と垂直に磁場が発生するといえるのでしょうか。

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　相変わらず、頑張ってますね。