電磁波の特性について

質問

携帯電話端末と無線基地局は、お互いの位置を厳密に把握していないのに通信を行なうことができています。
携帯電話端末と無線基地局は電磁波を利用して通信を行なっているので、お互いの位置を厳密に把握していなくても通信ができるのは電磁波の特性によるものと推測されます。
このようなことができる電磁波の特性はどのようなものなのでしょうか？
また、電磁波がその様な特性をもつことができる要因についても分かる場合、その旨もご教授いただけますと幸いです。

回答No.1

lv4u · ベストアンサー

>>このようなことができる電磁波の特性はどのようなものなのでしょうか？

電波はなにもしないと、四方八方に放射されます。水面に落とした石で作られる波が円を描いて広がるような感じですね。なので厳密な位置がわからなくても通信できます。

>>また、電磁波がその様な特性をもつことができる要因についても分かる場合、その旨もご教授いただけますと幸いです。

このあたりは、科学が「この現象の根本原因は何か？」っていう思弁的なことを研究するのでなく、「この現象はどういう結果を生むか？」という計測・実験に主眼をおいている現在では、たぶんわからないのでは？と思います。
学生時代に授業で、電磁波（電界・磁界）について習ったりしましたけど、要因については、ノータッチでしたね。
最近も、電磁波の本を図書館で借りてきて読んでみましたけど、要因は書かれていませんでした。たぶん、これが解明されれば物理の大きな進歩ではないかと思ったりしています。

ちなみに、一般的に知られているマックスウエルの電磁方程式は、わかりにくい項目を省略した簡略版だそうです。省略された部分を理解したいと思ったのですが、私には無理でした。

お礼

分かり易いご回答、ありがとうございました。私の知りたいことを適切にご説明いただいて大変勉強になりました。

回答No.7

ytrewq

「電磁波」はガンマ線やエックス線を含む非常に広い概念の用語なので、その伝播について一般的な議論は困難です。携帯電話で使われているのは、電磁波のうちの「電波」に分類されるなかで、UHFと呼ばれる領域です。
電波の伝播の仕方は波長によって違いがあります。携帯電話で使われる波長は約15cm～40cmです。
基地局からの電波は基本的には四方に広がりますし、端末側も四方からの電波を受信できますので、その基地局の圏内（サービスエリア内）ならば通信可能です。サービスエリア内のどこに端末がいるかは把握する必要はありません。問題は基地局のサービスエリアがどのような広がりを持っているかです。
基地局と、携帯端末の出力と感度ならば、理論的には全く何もない空間（自由空間）ならば、100km以上の距離でも楽に通信できますが、実際は地上の建物や地面などが伝播上の障害物となります。
木材などはある程度電波が透過しますので、木造住宅内なら通信できます。鉄筋コンクリートなどは電波を透過しません。　地下やトンネル内には電波が届きません。電波はある程度回り込みますので、　鉄筋のビルの場合は窓があれば、窓から電波が回り込んで通信できます。電波の回り込みは波長による違いがあり、波長が長いほうが回り込みやすくなります。最近話題のプラチナバンドは比較的波長の長い電波をいいます。
地形的に山の陰も電波が回り込めば通信できますが、一般的に山は基地局から遠いことが多く、もともと電波が弱いので、ちょっとした谷間で通信できなくなることが多くなります。
地下やトンネル内には電波が届かないのに携帯が使えるのは、地下やトンネル内に小型の基地局が設置されているからです。

一つの基地局ではサービスエリアが限られますので、多数の基地局を設置します。　広い地域をカバーするため複数の基地局が設置されますが、基地局の設置にはお金がかかります。　同じエリアをカバーするのに、電波の出力を増やして、一つの基地局である程度広いエリアを担当させる方法と、電波の出力を少なめにして、多数の基地局を設置する方法があります。　後者がPHSです。
一つの基地局で電波出力を増やして広いエリアをカバーする場合、ビルの陰や地形の関係でエリア内にも関わらず、電波が届きにくい場所が生じることがあります。このため、隣接する基地局のサービスエリアはそれぞれ重複する形で設定されます。　これによって、ビルの陰や地形の関係で通信できない場所であっても違う方向の基地局と通信できる可能性が高くなります。

お礼

大変わかりやすいご説明、ありがとうございました。私の知りたいことの本質をついたご回答をしていただき、助かりました。

回答No.6

mide

発生点から四方八方に広がるのは一般的な「波」の性質です。

他の身近な波である音波でも同じで，暗闇の中でお互いの位置を把握していなくても声で通信をすることができます。

お礼

ご回答いただきましてありがとうございました。私の知りたいことの本質をついた回答をしていただき、大変助かりました。

回答No.5

chie65536（@chie65535）

追記。

「電波」を「可視光線」に置き換えてみれば判り易いでしょう。

携帯電話の出す電波：反射板も何もない「裸電球の光」と同じ。障害物さえ無ければどっちの方向からでも見える。

携帯基地局の出す電波：反射板も何もない「裸電球の光」と同じ。障害物さえ無ければどっちの方向からでも見える。

テレビの放送電波：反射板も何もない「裸電球の光」と同じ。障害物さえ無ければどっちの方向からでも見える。

テレビの受信アンテナ：双眼鏡と同じ。光っている電球の方向に向けないと、光は見えない。

マイクロ波回線の中継基地の送信アンテナ：懐中電灯やサーチライトと同じで、受信する中継局の方向に向けてある。

マイクロ波回線の中継基地の受信アンテナ：双眼鏡と同じで、送信する中継局の方向に向けてある。

上記のどの例でも、通信の媒体は「可視光線」で「光の特性」はすべて同じです。しかし、裸電球とサーチライトでは、指向性が全然違います。

裸電球は３６０度どの方向にも光っています。

サーチライト（や懐中電灯）は、向けた方向にしか光りません。横や後ろから見ても光は見えません。

お礼

ご回答いただきましてありがとうございました。

回答No.4

chie65536（@chie65535）

＞お互いの位置を厳密に把握していなくても通信ができるのは電磁波の特性によるものと推測されます。

違います。

単に「携帯電話端末も、無線基地局も、指向性の無いアンテナ（全方位に対して同一の特性を持つアンテナ）を使用している」だけです。

携帯電話端末のアンテナを「八木アンテナ」のような「指向性のあるアンテナ」に付け替えた場合、アンテナを基地局の方に向けないと（つまり、基地局がどの方向にあるか把握していないと）通信できませんよ。

＞電磁波がその様な特性をもつことができる要因についても分かる場合

電磁波には、そのような特性はありません。

なので、アンテナの指向性特性を抜きにして「携帯用の電波に指向性が無い事の説明」は出来ません。

電波の基礎（高校の物理）から学習し直す事をお薦めします。

お礼

ご回答いただきましてありがとうございました。

回答No.3

info22_

>お互いの位置を厳密に把握していなくても通信ができるのは電磁波の特性によるものと推測されます。

電磁波の特性というより「無線基地局のアンテナの無指向性（指向性が出来るだけ方向に依存しないようにアンテナの指向性が全方向性を持たせる工夫や複数アンテナの配置により無指向性に近づける工夫をしている…アンテナの形状や複数アンテナによる合成指向性で無指向性に近づける設置など）」により、携帯電話者の位置によらず（アンテナからみた方向によらず）通信ができるように工夫している。
つまり、一定の基地局を中心とした一定のエリア内ならどこでも携帯電話と基地局の間の通信が可能なように電波（電磁界）の送受信信号レベルが確保できていることになります。携帯のアンテナマーク（電磁波の受信強度表示）で受信強度を表示で通話可能か、通話エリア外か分かるようになっています。

基地局アンテナと指向性参考URL
http://matome.naver.jp/odai/2131719386429536801
http://patent.astamuse.com/ja/published/JP/No/2009177773/

携帯からの電波
http://getnews.jp/archives/234468

お礼

ご回答いただきまして、ありがとうございました。

回答No.2

shintaro-2

＞携帯電話端末と無線基地局は電磁波を利用して通信を行なっているので、お互いの位置を厳密に把握していなくても通信ができるのは電磁波の特性によるものと推測されます。

本当にそうでしょうか？

例えば、新宿で地上デジタル放送を受信するのに、アンテナをスカイツリー方向ではなく
八王子方面や、横浜方向に向けたら受信できないはずです。

また、ハンドマイクを４（ｏｒ８)方向に向けたAさんと
ハンドマイクを４(or8)方向に向けたBさんとは
暗闇の中で互いに相手がどこにいるかわからない状態でも
会話可能です。

というわけで、
キーワードは「アンテナの指向性」です。

ネットで検索してみてね

お礼

ご回答いただきましてありがとうございました。