電磁波の空間伝播について

質問

こんばんは。
電気については無知なので、お知恵をお貸し頂きたく投稿させて頂きました。

電磁波の空間伝播についてですが、
ある情報を空間を伝って送りたい時に、情報を送る手法としては電磁波があると思います。
電磁波に直流（正確には３０Ｈｚ未満？）は含まれないですが、
空間を伝って情報を伝える手法として、直流は利用できないのでしょうか？波（電磁波）ではないといけない理由がいまいち理解できません。ご教授お願い致します。

回答No.1

info22 · ベストアンサー

電磁波を作り出すアンテナの長さLは電磁波の波長λの1/2または1/4の長さが必要です。電磁波の伝わる速さVはほぼ光速Cです。電磁波の周波数fは
fλ＝V≒C≒300,000 Km です。
直流の電磁波があるとすれば f = 0 ですからλ＝C/0＝無限大で、この電磁波を作り出すアンテナの長さL＝λ/2 or λ/4 ＝無限大
となって地球より、銀河の直径より長いアンテナが必要になります。そんな長いアンテナは作れませんね。
AMラジオ放送局の鉄塔アンテナはほぼλ/4 の長さのアンテナで高々100mですね。そうだとすれば波長λ＝４L ＝400 m で
周波数f＝C/λ＝30万Km / 400 m ＝750 KHz
つまり実用可能な100m アンテナで作れる電磁波の周波数ｆは750 KHzということですね。実用的にはこれより低い周波数の電磁波は作れないという事です。つまり30Hzの電磁波や直流の電磁波は継続的に作れないという事です。では非常に低い周波数の信号が電磁波として送れないかというと、変調という技術を使って信号周波数foをアンテナで実現できる周波数f（搬送波という）に加えて送れば、電磁波として空間を送ることができます。
変調は実現可能はサイズのアンテナに対する電磁波周波数（キャリアー、搬送波という）に対して信号周波数分の変調をかけます。変調方式にはAM変調、位相変調、FM変調などがあります。変調をかけることで直流信号でも電磁波で送信することができます。
普通よく見かけるアンテナはUHFやVHFのテレビの1/2波長アンテナですね。アンテナ線がくっついているアンテナ素子以外の素子は導波器と反射器のエレメントです。半波長λ/2＝20cmの長さのアンテナのキャリアー（搬送波）の周波数ｆは
f＝C/λ＝30 0000Km/40cm＝30 0000 000/0.4＝750MHz
となりUHFのキャリアー（搬送波）になります。

お礼

アンテナ、変調などそういう技術も関係してくるのですね。
勉強になります。
ご丁寧な説明で、初心者の私でも分かり易いと思いました。

回答No.4

inara

電磁波の解釈を電場や磁場に拡張すれば情報を送ることはできます。直流電流の流れている電線の周りには磁場が発生していて、これは空間に広がっていますから、その磁場の大きさを検出する手段があれば、磁場の有無や大きさを「情報」として空間に伝達することは可能です。電場についても、電界を発生させる手段と、電場を検出する手段があれば、空間伝送は可能です。

ただし情報を送るためには、電場や磁場の状態（大きさ）が、時間に対して変化しないといけないので、outerlimitさんやTacosanさんのコメントにあるように、厳密な意味での直流（時間変化のない静電場や静磁場）では情報伝達はできません。電場や磁場の状態（大きさ）を時間的に変化させてもいいのなら、電場や磁場を出したり止めたりという方法（デジタル的）や、電場や磁場の大きさそのもので情報を送る（アナログ的）方法があります。アナログ的な方法では、電場や磁場の大きさ（情報）が受信する距離によって変わるので、距離が分かっている環境でしか使えませんが、デジタル方式なら電場や磁場の有無が情報（bit）なので、受信できる距離の範囲内なら距離の制約はありません。ただし、電場や磁場を使う方法は、電磁波と違って遠距離の情報伝達には不向きですし、外来ノイズの影響を受けやすいという本質的な問題があります。

【磁場による通信方法】
コイルに電流を流すと磁場が発生するので、これを送信器とし、そこから離れたところに磁場の大きさを検出する素子（ホール素子や磁石など）を置けば情報通信システムになります。ホール素子を使った場合は磁場の大きさが電圧として出てくるので信号処理はしやすいですが、磁石を使った場合は、アナログメータ（針式メータ）のように、磁場の大きさに応じて回転角度が変わるような機構と、その回転角度を電気信号に変換する機構が必要です。

【電場による通信方法】
磁場の大きさを電圧に変換するホール素子のように、電場を電圧に変換する素子を私は知りませんが、両端がマイナスとプラスの電荷で帯電した棒を使えば電場を検出することはできるはずです。ただし、電場の大きさに応じた電気信号に変換する機構が必要です。電場の発生手段を作るには、絶縁された２つの電極の間に電圧を加えれば良いでしょうが、上の方法で検出できるほどの電場を作るには、相当大きな電圧が必要かと思われます。電子ペーパーと呼ばれる表示素子の中には、電場の大きさ（向き）によって、画素の明るさを変えているものがあります。その原理は、上下が白黒の色になっている球の上下を帯電させて、そこに電場をかけると、電場の向きによって見える白黒が反転するというものです。これも電場を使った情報伝達方法と言えるでしょう。

【光通信】
光も電磁波の一種ですが、光通信に使われているような光は、一種の直流として扱われていて、光強度の大きさで情報を伝えています。光通信で使われる波長1.55μmの光（赤外線）の周波数は 193 THz（＝193414 GHz）というとてつもない高周波ですので、これを増幅する素子は存在しません。この光を検出する素子はフォトダイオードと呼ばれる、光強度を電流に変換する半導体素子です。つまり、光通信では光を直流信号として扱っていて、この強度が、あるしきい値以下か以上かで情報伝達を行っています。この意味で、光通信は、電場や磁場を使った通信と同じです。ただし、光の場合、光ファイバーという、光を遠方に減衰することなく伝送する方法があるので遠距離通信が可能です。光ファイバーなしで情報を送ろうとすれば、電場や磁場を使った場合のように、遠距離ほど信号が減衰したり、外光の影響も受けやすいという欠点があります。したがって、光通信が可能になったのは光ファイバーのおかげと言えます。電場や磁場でも、光ファイバーのように、電場や磁場を減衰することなく伝送する媒体があれば、立派に通信手段に使えると思います。

お礼

ご丁寧な説明ありがとう御座いました。
【磁場による通信方法】，【電場による通信方法】，【光通信】など、通信方法にも様々あり、それに応じた変換素子もあるのですね。
興味深い話でした。

回答No.3

Tacosan

厳密な意味では「直流」というのは「一定の電圧・電流で流れている」ことを指しますから, この意味での直流で情報を伝えることは不可能です. だって, 「ず～～っと出ている」だけなんだから.
もちろん「流したり止めたり」を繰り返せば情報を伝えることができますが, これは厳密には直流ではなく「脈流」(= 直流に交流が重畳している: 逆にとらえてもいいけど) の 1種です. ちなみに普通の電話には +24V だか +48V だかの直流が重畳しています. プッシュホンはともかく, 昔の黒電話なら停電してても通じます.
あと, 普通ダイポールアンテナでは「アンテナ長 = 半波長または 1/4波長」ですが, 実際にはいろんなテクニック (コンデンサやコイルを追加する) でアンテナ長をさらに短くすることができます.
このようなテクニックを使って, 日本の標準時信号 (電波時計で使うやつ) は 250m あるいは 200m の高さのアンテナから 40kHz または 60kHz の信号を発信しています.

お礼

知らないことばっかりで驚愕しました。
普段見ているアンテナにもそんな工夫があったとは・・・。
電話の話もおもしろいですね～。
勉強させていただきました。

回答No.2

outerlimit

電磁波は　電磁界の時間的変化で伝播します

直流では時間的変化は発生しませんから　伝播しません

情報を伝達するには　何らかの時間的・空間的変化が必要です
直流には　この変化はありません
（直流の電圧が変化することを想定なさることと思いますが　これは直流に交流が重なったものと判断します）

お礼

電磁界の時間的変化ですか。
難しいそうですね。
でも、何となくですがイメージは伝わりました。
ありがとう御座いました。