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科学

電磁波とは何か ~波のイメージと色々な電磁波~

投稿日:2017年3月28日 更新日:

波動と電磁波について勉強して身の回りの現象を見てみよう

私たちの身の回りには電磁波であふれています。太陽の光・蛍光灯の光・放射線・テレビの電波などなど。
私たちは知らない間に電磁波の関わる現象を見たり、電磁波の恩恵を受けたりしています。電磁波は波動の一種です。

今回は波動とはいったい何なのかを説明したのち、電磁波の基礎知識(波長とエネルギーの関係など)について説明します。
(最初から電磁波について知りたいという方はこちら

※電磁波は波動の一種であるということの証明はこちら↓(高校物理の範囲を超えます)

波動とは?一言でいうと?

「何らかの力やエネルギーが波型に振動している現象」です。

そんなこと言われてもよく分かんないよ。教科書にはそんな風に書かれてるけど・・・

じゃあ、身の回りの現象と照らし合わせて「波」ってのを理解しに行こうぜ。
例えば、水面に小石を落としたら波ができるな。この現象を1個1個考えていくんだ。

水面に小石を落としたときに起きる現象を考えてみましょう。

①水面に小石を落とす
②水面に小石が当たる
③水は小石からエネルギーを受け取る
④水が受け取ったエネルギーは波型になって広がっていく
⑤小石を落とした地点から少し離れた水面に指を入れてみると、少し波を感じる

何らかの力やエネルギーが波型に振動していますよね。だから「波動」なんです。

小石を落とした場所と水面に指を入れた場所は違うよな?

力が小石を落としたところと別の場所で働いているっていうこと?

そうだ。その力とやらを伝えているものは?

・・・波?

その波とやらはどんな運動をしている?

揺れてる。

じゃあ、もう一回波動の定義を読んでごらん?

何らかの力やエネルギーが波型に振動している現象・・・?

あ!小石を落としたときにできる波と同じだ!

その通り!小石が落ちて、水が揺れて波が出来て、
小石が落ちた場所から違う場所へエネルギーが移動しているんだ!

上記を読んでわかることは

・波があることによって力やエネルギーが離れたところに伝わっている
・波が伝わるには何らかの「伝える物質」が必要(上記の現象では水ですね)

ここで専門用語について説明しますと
波が伝わることを「波の伝播」
波を伝える物質を「媒質」と呼びます。

先ほどの小石の例をちょっとカッコつけて言うと
「エネルギーが波型になって媒質中を伝播し、周囲に何らかの影響を及ぼす」
ということになります。

電磁波とは?一言でいうと

「電場と磁場が波型に振動している現象」です。
「波動」のうち、何らかの力やエネルギーが「電場と磁場」になったとき、
その波動を電磁波と呼びます。

・赤く燃える太陽の熱が5000万km離れた地球に伝わる
・テレビ局から発信された電波が家庭に届く
・放射性物質が発する放射線が人体に悪影響を及ぼす

これらは電磁波によるものです。

全部、エネルギーが波型になって伝播し周囲に何らかの影響を及ぼしているんだ。

電場と磁場について

昔、頭に下敷きをこすりつけて、髪の毛を逆立てて遊んだことがある人がいると思いますが、このとき、電場が発生しています。髪の毛が電場に置かれることによって、髪の毛は逆立つための力を手に入れ、重力に逆らって逆立っているのです。

磁石で砂鉄集めをしたことがあると思います。永久磁石の周辺には磁場が発生していて、砂鉄が磁場に置かれることで砂鉄は力を手に入れ、磁石へ吸い寄せられるのです。

電場や磁場があることによって力やエネルギーが発生しています。これが真空中を伝播すると電磁波が発生します。
その電磁波は読んで字のごとく電場と磁場が波の形を作って伝わっていくのです。

このことはマクスウェル方程式を使って説明することができます。詳しくはこちら↓

電磁波の波長とエネルギーの大きさ

波には「波長」というものがあります。波は山と谷を交互に繰り返しながら進んでいきますね。ここで山と山の距離(あるいは谷と谷の距離)のことを「波長」と言います。

そしてその波長は短ければ短いほど、その波のエネルギーは高いと言えます。式に表すと次の通りです。

E = hc/λ

Eがエネルギー[J]、hはプランク定数で値は6.634×10-34[J・s]です。極めて小さな数字ですね。cは光の速さ3.0×108[m/s] λは波長[m]です。

電磁波の種類

電磁波には波長によって様々な種類があります。波長の短い順に

γ線 < X線 < 紫外線 < 可視光線 < 赤外線 < マイクロ波 < 電波 となります。

こいつらを、エネルギーの高い順に並べてごらん?

γ線 > X線 > 紫外線 > 可視光線 > 赤外線 > マイクロ波 > 電波 !

そうだ。その通り!

電磁波の中でも可視光線は目に見える光で私たちの生活のあらゆる場面で見ることができ、光の波長によって光の色が変わります。
例えば授業や発表の時に使用するレーザーポインタがあります。緑色レーザーは波長532nmの電磁波です。

電磁波と物質

私たちの身の周りにある物質は電磁波を放出したり受け取ることができます。
紫外線がお肌に悪いというのは私たちの肌が紫外線を受け取り、肌に何らかの影響を及ぼすことを意味します。
葉っぱの色が緑色だったり、ルビーの色が赤色だったりするのも物質が電磁波を吸収しているために起こる現象です。

葉っぱの色の秘密についてはこちら

ルビーの色の秘密についてはこちら

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