【図解】アンテナからの電波の発生原理を分かりやすく解説する

学校で電磁波について習うけど，具体的なイメージが沸かないなー

となっている方に向けて，電波の発生原理を解説したいと思います．

少し難しい話なので，主に電磁波工学などの授業を受けている理系大生向けの記事です．

マクスウェルの方程式のおさらい

ネットで「アンテナの原理」と検索すると，たいていマクスウェルの方程式だけで解説しようとしています．

しかし，それだけでは電波の波形の説明ができないんですよね．

マクスウェルの方程式は万能ですが，未知数が多すぎて，具体的なイメージがつかみにくいです．

↓この記事を前提に解説していくので，まだ読んでいない方は読んでみて下さい．

【画像8枚】マクスウェルの方程式は何を意味しているの？

これが色んな記事で解説されている方法です．

真ん中の水色がアンテナだと思ってください．ここではダイポールアンテナのようなものを想像しています．
赤色の輪っかが電場の回転，青色の輪っかが磁場の回転を表しています．
緑色の番号の手順に沿って，発生原理を説明します．

まず，前提としてアンテナの中で電荷の加速が起きる必要があります．これがアンテナに交流電源が用いられる理由です．

その電荷の加速によって，電流が発生します．

次に，その電流によって磁場の回転が生まれます．
これはマクスウェルの方程式①の，アンペールの法則の拡張の式です．

先ほどの磁場の回転が生まれたことにより，空間に磁場の変化が発生します．

この磁場の変化は，マクスウェルの方程式の②の，ファラデーの電磁誘導の法則により，磁場の変化を妨げる方向に電場の回転を生みます．

マクスウェルの方程式の①より，電場の変化は「変位電流」と呼ばれる，電流と等価として扱うことができるのでした．

つまり，空間内の電場が変化すると，磁場の回転が生まれます．
式①より，向きは電場の増加する向きに右ねじの向きです．上の画像が向きを示しています．

ネットで，「電波の原理」と調べると，上の画像が出てくるのですが，ほとんどがここの部分が反対方向を向いています．なぜか，「電場の変化を妨げる方向」という，意味不明な理論が乱立しています．

なぜそのようになっているかを考察すると，③の方向を逆向きに解釈することで，電波の発生を説明できてしまう気になっているだけだと思います．
マクスウェルの方程式の発生原理だけでは，下の図のような平面波の伝搬が説明できません．

マクスウェルの方程式は定性的な理解を助けるだけで，実際の振る舞いはより厳密に考える必要があります．

電波の振る舞いを考えるにあたって，「光速」はあまりにも早すぎます．
そこで，光速を落として電子の変化のスピードも落とした場合を考えると，理解が深まります．

まず初めに，こちらの方の動画を見て下さい．

4:30~がおすすめ

この動画は神です．今まで電波の原理が分からなかった方は，こちらの動画でモヤモヤが解けると思います．

「電気力線」は電荷からの電場の伝わる方向を示している線です．電気力線の密は電場が大きいことを，疎は電場は小さいことを表しています．
つまり方向と大きさの情報を持つ，ベクトルです，

ここで，電気力線は一瞬で伝わるのでしょうか？
また，重力は一瞬で伝わるのでしょうか？

答えはNoです．この議論に終止符を打ったのがかの有名なアインシュタインです．アインシュタインの相対性理論によって，場の伝搬は光速を超えることはないと証明されました．

つまり，電場という場は光速で伝わるということです．電場を高速に振動させることによって，場のゆがみを生じさせる，それが電磁波です．

しかし，それを実際に目で確認することは不可能です．
そこで，上の動画のようなシミュレーションが役立ちます．電気力線を伝わる速度(光速)を遅らせ，電荷の振動するスピードを遅らせることで，人間の目で確認することができます．

実際にはアンテナなどに使う周波数は一秒間に10億回くらいです．(1GHzく

光速に対して，振動が遅すぎるとどんどん波長が伸びていきます．

先ほどの動画で，電荷を上下に振動させる場面を見てみようましょう．電荷が振動している場所が，アンテナを表しています．
これがまさにアンテナからの電波の放射原理です．

電場のうねりが伝わっています．この電場の変化に伴い，マクスウェルの方程式のアンペールの法則の拡張の式により，変位電流が磁場の回転(うねり)を生みます．

電波は，すべては電荷の振動から始まります．　なぜなら，単一の磁荷は存在しないからです．

電荷の振動によって電場のうねりが生じ，それが磁場のうねりを生じさせる，それが電波の原理です．