電波って何だ?

電波は、電界と磁界が直交したものといってもそれはなに?
それをいちからせつめいしよう
電気って何だ?を読んだ人は前半適当に読み飛ばしちゃって

あと、電波と電子回路を知ったからって勝手に強く電波を出す機械を作らないこと
売ってるものとか、ラジコンとかは法律で許可された弱い電波を出している
電波は色々出しすぎると世の中混乱するので世界で決めごとがある
その決めごとを破ると逮捕されちゃう
しかしアマチュア無線の免許とれば、ある程度の電波を出せるので
見知らぬ人と電波で話せる 英語で世界の人と話せるかも

電波をわかるのに必ようなことから始めよう

磁界と電気

電気が通る電線から磁気が出てるのだ
右ネジ
この様に、N極からS極にいく磁気を表すのに使う矢印がまわってる
右ネジの法則といって、電線がネジ、磁気がネジを回す方向にたとえられる
こんな磁気は弱いから磁気を集める鉄の棒に電線をぐるぐる巻いて電磁石にする
逆に、電磁石に磁石を近づけたり離すときに電気が電磁石に出る
これは電線の電子が磁気で動くから
電磁石の目的で使わないけど電線ぐるぐる巻いたものはコイルという

電界

エーまず、"電気なんてまぼろしだ!?"
人間がむきはこうだ(+ → -)と考えた電気 しかし、あとで逆向きに電子というものが発見されて、これが電気の正体で、流れるむきは、逆(- → +)だった! ということらしい
いまでも、電気は(+ から -)に流れると言う考えが主流なんだ だからまぼろし!?なのさ

コンデンサと電界の説明
コンデンサ
ひだりから電池、スイッチ、コンデンサ
って何かすごい絵だけどコンデンサ自体は二枚の金属を並べただけ
電子同士近づくとはなれようとする
てことは電子は余ってるところから足りないところにいくわけだ
その力が電気力、それが働いてるところを電界という
これが空気にも伝わるからコンデンサがある
つまり スイッチON、空気をつくっている原子のなかの電子がマイナス極からきた電子に押され
るとまた次の電子を押す というのが++++とあらわした金属の寸前まで続く(電子が足りなくなるとき+の電気がたまったという)
でも、空気は電気をとおさないわけで、電子が++++にいくことはない

ここでスイッチを切る でもたりないところにいこうとする電子はたまってる ということは、わずかながら電気がたまってる
では二枚の金属板を電線でつなぐと電子がドット++++へいく そう 放電だ
これがコンデンサの性質
じつは配線もケーブルもいろんなところがよわいが同じ性質を持っているので
電波を扱う機械はそこも考えないと作れないことがよくある

ちなみに
金属の間は誘電体というものを挟んでも電気がたまるが材料によって電気のたまる量が違う
材料によって電子の押される強さが違うからだ 実際のコンデンサはその材料は研究されたものだ

磁界

「磁石のもつ力」が働いているところを磁界という
別のものが磁石のもつちからを出してても磁界という

電界と磁界がどう合わさる?

ダイポール
送信機から電線でつながってる二本の棒(太めに書いてある)、これがダイポールアンテナという基本のアンテナ
これに交流(電気が行きつ戻りつする)を加える 交流の、電気が流れて、電気の向きが変わって、もとにもどるのが一秒に何回あるかを周波数と言ってそれを書いたら後ろにHzって書くことになってる(ヘルツと読む)

(パソコンのGHzは作業するテンポをきめる電気の周波数のこと)

このての話は0が沢山つきそう。0を沢山つける代わりに
千の代わりにkとかく[キロ] 百万の代わりにMとかく[メガ] Gは10億[ギガ]
リットルやメートルと同じ
電波のエネルギーも行きつ戻りつだからHzがつかえる
ラジオの1242kHzとかいうのはここからきている

とにかく交流をかけないと電波にならない
ダイポールのエネルギー
半波長ダイポールアンテナ(東京工業大学のページ)に電界の出来かたがある
電気をかけるということは電界や磁界が出る 磁界は右ネジの法則で出る

これは電界と磁界の方向が直角にずれていることだね
直角に交わる つまり直交だ
そしてエネルギーが中心で出ては消え出ては消え 時間とともにエネルギーが断続的に伝わる これを科学の世界では波に例える だから電波という名前なんだろう

こうして出た電界と磁界は光の速さで伝わるし と言って電波は光ではない

なんてことはない!
電波の周波数がめちゃくちゃものすごく上がったのがひかりなのだ!
光はもはやアンテナでは出せず電子を刺激して出すのだ

光は直進するがうんと周波数の低い電波は海の中山の中にはいっていく
ただ光の方が送れるデータはものすごく多い
衛星通信、BSの電波は電波では光に近いほう

アンテナは送受信できる

送るのにも受けるのにも同じアンテナが使える
ただ送る電波が強すぎるとアンテナが熱々になってこわれるだろう
そうでなくても送信には無駄なエネルギーを使う種類のアンテナがある
テレビ塔のアンテナはそこまで考えて作ってるはず
あとアンテナというものは指向性と言って電波がよく飛ぶ向きがある それはよく受かる向きでもある アンテナの種類によって違う

アンテナの長さの秘密

ダイポールアンテナは電波の周波数で長さを決めないといけない

電気や電波は光の速さでとんでくが
このダイポールの長さはちょうど片方の端まで電気がいきそうなところで
送信機の電気の向きが逆になりもう片方の端に電気がむかうようになっていると思う

この長さと周波数の関係が間違ったアンテナは電波が弱くなる 受ける方につかうと感度が弱くなる
この長さの出し方は簡単
一秒間に光がどれだけ走るかは約30万キロメートル
wikipediaには299,792,458 mとある
一秒間に光がどれだけ走るか÷周波数 これが電波のエネルギーの向きがかわる距離『波長』と呼ぶ λともかく(ラムダと読む)
でこれを半分に割ればダイポール全体の長さ(実際は少し調整するらしい)
この波長は他のアンテナを作るときも必要だ

あのアンテナはどうなん?

AMラジオ

AMラジオの電波は、波長が長い だから
AM局訪問 の写真の様にながーいアンテナを立てておくる

受ける側は こんなアンテナ立てられないから 電磁石に見えるバーアンテナまたは 電線をぐるぐる巻いた微小ループアンテナがある
これらは電波の磁界をとって電気信号を出す

テレビ

送信アンテナは知らないがテレビの受信アンテナは
春節@ヨコハマ中華街散策。にある八木アンテナがある
線がつないである部分がダイポール それ以外はどこにもつながってない
その左のちょっとダイポールより短めの棒がならび電波をダイポールに送る
右が長めになっていて電波を反射する よって 左からきた電波をよくとらえる
なぜ、こうなるか分かんないが、棒が並んでる間隔にも秘密がある様だ

パラボラアンテナは屋根にあったりベランダから外に向いてるお皿みたいなの
衛星放送用パラボラアンテナの種類と特徴に写真がのってる
巨大なものは衛星通信、宇宙の電波をとらえる電波望遠鏡につかわれる
鹿島宇宙通信センター30周年を迎えて 多分でかい程よく電波が受かるんだ
BSを受信するベランダにあるものはぜんぶ南南西か南西(訂正しました)を向いてるためみれば道に迷わないという裏技が出たがあれは人工衛星を向いてる
人間がロケットで宇宙に送った人工衛星はいろんなものがあるが放送用の人工衛星があって放送局から出た放送データを送り返す
これがあれば電波が山でさえぎられず地上に送信所をあちこちに作らなくてもいい
さらは計算されたパラボラリックカーブをもっていていろんな方向からくる電波をさらの先についている箱に集める
箱の中に本当のアンテナと周波数を下げて受信機に送るコンバータがはいってる 高い周波数だからこんなことをする
なにしろいろんなところがわずかにコイルやコンデンサの働きをするのも注意して小さく回路を作らないといけないからだ
このぐらいの高周波を扱う回路を作るのはとても知識や計算が必要らしい

ケータイ

手でピッと出せる棒になっていた携帯電話の通信通話用アンテナは消えてはいない
なかにはいってる 機種毎に形や電波効率を考えつくってるようだ 特別なセラミック誘電体で小さくできるらしい

そのほか

さらに、よのなかにはいろいろなアンテナがある  コーリニアアンテナ、ヘンテナ、HB9CV…
ディスコーンアンテナで検索してみよう あれは、受ける電波の波長を選ばないけど感度はよくつかわれるアンテナの方がいいんだな
アンテナが受信時にだす電気はかなり少ない AMラジオでは10000倍以上に信号をおおきくしないといけなさそうだ

電波にどうデータを載せるか

簡単なのが無線電信 電鍵というスイッチで電波を断続する モールス信号といってたとえばIは電鍵をトントンと押すことで表しAはトンと押してツーって長くおす これでAからZとひらがなぐらいはやりとりできる
これににたモールス信号の代わりにデジタル符号(電波を出す間隔にいみがあってそれがコンピュータでわかりやすい信号)をつかうのをPCMという 人間が電鍵を叩くよりデータが沢山入るし、雑音にも強い

電波にデータを入れるのは変調と言って電波の元となる搬送波という交流に何か加工することをする
搬送波は正弦波という波になっている 搬送波は一定のちから、周波数に保たれる たてじくが電気のパワーの強さ 電気の方向は+,-でかわり、横が時間の流れだ
うねうね
決まった周波数で電波を飛ばさないと受ける側も苦労する アンテナがつかえない
搬送波の周波数は普通信号よりだいぶ高いので、あとに出るLC並列同調回路で搬送波の周波数にチューニングすれば、必要な電波を選べる。

ラジオは基本的な音声送信の方法を使う
まずマイクで拾った音はぐにゃぐにゃ電気の量が変化する電気信号としておくられる
音を出す機械で、たてぼうがたくさん並んでいて音と一緒に伸びたり縮んだりしてるのをみたことがあるはず
あれは一見ぐにゃぐにゃな音声を解析して、低い周波数の音の大きさを左に、高いのを右に表示している
スペクトラムアナライザー(超高い)なら、もっと詳しくみれる。音というものは、いろんな周波数の正弦波のかたまりとみれるが、どの周波数の正弦波が固まっているかわかる

AMラジオの方法 AM変調

ぐにゃぐにゃ
音声の電気信号の強さで搬送波の強さを変える 無線電信に次ぐ昔からの方法

FMラジオの方法 FM変調

みょみょみょ
これは、搬送波の周波数を音声の強さで変える
でもこれは大げさな絵だ
AMより雑音に強い

FMラジオの方がAMラジオより音がいいのは誰でも分かると思うが、それは、雑音にFMが強いからきてるわけではなく、AMラジオの音は送る前にああいうモゴモゴにわざとしている
ラジオの隣どうしの局は、搬送波の周波数が近い。
実は変調した電気に、搬送波より周波数のずれた電気がどうしても混じる。
これは、送る信号の周波数と関係があって、式で表せるらしい。
実はこれが音質と、二つのラジオ局の声が聞こえてくる混信と関係がおおありだ
周波数があまりにずれた電気がでてくると、隣の局の周波数にあたって混信する
これを防ぐために、AMラジオでは鈴虫の鳴く声みたいな高い周波数の音をカットしている だからモゴモゴなんだな
でも、AMラジオの番組は、その分おもしろいよね

そのほかいろいろな方式がある 地デジや携帯電話、無線LANは僕もみんなもすごすぎてわかんないはず

チャンネル選択はどうしてるか

LC circuit
右にコンデンサ 左にコイル この回路を LC並列共振回路という
コイルはバーアンテナ、ループアンテナでもいい
コンデンサに電気がたまったとする コンデンサの電気は コイルを通る この時 電気エネルギーが
磁気になる その後電気がこなくなると磁気が電気エネルギーになる よって
コイルは電気を通そうとすると一瞬あがらい 電気が少なくなると増やそうとする
よって 電気は遅れてコンデンサの反対側にいく コイルのさようでショートと違って反対側に電気がたまる 
そして、またコンデンサは、放電し…とくりかえす ほっとくとコイルの電気ロスによって このサイクルは止まる
サイクルは コイルとコンデンサが強いほどゆっくり

が、上と下にアンテナからの2つの線をつないで さっきのサイクルの周波数と同じ周波数の電波をあてる
すると サイクルは続く

じつは選局つまみは バリコンという中にたまる電気の量を変えられるコンデンサにつながっていて
コイルとつながってる そしてそこの電気を拾って音にしている

では選局つまみのないテレビとかは? 基本はこの回路だが 進化したのが入ってる 可変容量ダイオードというものをバリコンの代わりに使い 電気で動かすのだ

ゲルマラジオで検索してみよう

もっとも単純なゲルマラジオは受信に苦労するがラジオの理解にうってつけだ
アンテナをながーくはるとか、アンテナの線をエアコンや洗濯機のアースにつけるとか
でもさすが 秋葉原の実験教室では、コンセントをアンテナにできるゲルマラジオで楽々受かった

そのほか
スーパーヘテロダイン、レフレックス、超再生、高一(え?)など受信機の回路は種類が色々ある(今はほとんどのラジオがスーパーヘテロダインだけど)

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