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電波と電子の勉強
17:31 2023/12/21 木曜日、電波と電子の関係をよく勉強しようと思う。
目 次
2024.1.2
2023.12.27
2023.12.25
2023.12.24
2023.12.21
2024.1.2
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引用：https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E8%8D%B7%E5%AF%86%E5%BA%A6%E6%B3%A2
電荷密度波（でんかみつどは、英: charge density wave、略称: CDW）とは、物質内部の歪の波と電流を運ぶ電子の密度変化の波（粗密波）が同じ波長で一体となったものをいう。
電流が一つの方向に流れやすいという性質を持つ「1次元性導体」の「1次元電子系」に特徴的な電子状態の一つである。
ある温度以下では、1次元電子系はひとつの秩序状態として1次元方向に長く伸びたCDWを作る。
具体的には、電流を担う多数の電子がそれぞれ自由に運動するのではなく、集団として電子密度の粗密波を作る。
これは、導体を作っている原子・分子と1次元電子との相互作用によって生じるものである。
原子・分子は規則的に配列し導体物質の結晶格子を構成しているが、電子系との相互作用の結果、この結晶格子に電子密度の波と同じ波長の歪の波が生じる。
電子密度の波と格子歪の波が一体となった混成波状態がCDWである。
このときの波長は電子の密度で決まる。
CDWの最も特徴的なことは、導体物質の中で任意の速さで1次元伝導の方向に抵抗なく滑って動けることであり、”理想的な条件”のもとではCDWは抵抗を受けることなく電気伝導を担う。
ただし、CDWによるこの抵抗のない電気伝導は超伝導とは全く異なる状態である。
また、現実の物質内部ではこの”理想的条件”が満たされることはないが、CDWの状態には物性物理としてさまざまな興味深い性質が見られる。
2023.12.27
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引用：https://helix-oyj.com/current
交流電流は、導線（導体）の中で振動する自由電子が形成する疎密波（縦波）であって、個々の電子の振動が電子から電子へ伝搬することで 全体的な振動が光速で伝搬するものである。
振動による接近あるいは離反によって変化する電子の密度が 電位に対応し、電子の密度が高い（密な）ところが低電位で、密度が低い（疎な）ところが高電位となる。
また、電子の量が変わらない導線の中では、電子の移動速度が 電流の大きさに対応している。
なお、通電開始直後の交流電流（自由電子が振動する）と 直流電流（自由電子が流れる）の様子は、交流であっても直流であっても、近接作用によって 一方の電子の動きが他方の電子に伝わるときの伝搬速度は、光速である。
電流は 導体中の電子の状態を表す指標の一方で、単位時間に移動する電荷の総量、すなわち、単位時間に導体中を通過する電子の数量と 個々の電子が有する電荷の積に対応する。
したがって、電流が 移動する電子の数が変わらない導線のような導体中を流れるときには、電子の速度が早ければ 電荷の総量が増し、遅ければ電荷の総量が減少するので、移動または振動する電子の速度が、電流の大きさ（相対的な大きさ）に対応する。
また、単位空間中に存在する電子の量、すなわち、電子の密度が、導体中の電子の状態を表す他方の指標である 電圧（電位）に対応する。
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個々の電子の振動が電子から電子へ伝搬することで 全体的な振動が光速で伝搬する
振動による接近あるいは離反によって変化する電子の密度が 電位に対応する
電子の量が変わらない導線の中では、電子の移動速度が 電流の大きさに対応している
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2023.12.25
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引用：https://techweb.rohm.co.jp/product/wireless/wireless-communication/wireless-communication-basic/37/#:~:text=%E9%9B%BB%E6%B3%A2%E3%81%AF%E3%80%81%E9%9B%BB%E7%95%8C%E3%81%A8%E7%A3%81,%E5%81%B4%E3%81%AB%E5%88%B0%E9%81%94%E3%81%97%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82
① 送信：アンテナに高周波電流が流れると、周囲に磁界が発生する。
② 発生した磁界の変化を妨げる方向に電界が発生する。
③ その電界の変化を妨げる方向に磁界が発生する。
④ さらに発生した磁界の変化を妨げる方向に電界が発生し、これを繰り返す。
⑤ 受信：磁界の中にアンテナを置くと交流電圧が生じる。
電波は、反射、透過、回析、干渉を受ける。
周波数が低いほど、回析によって影になるところにも届きやすくなる。
障害物がなければ直進する
媒体の特性が変わると、反射と透過が起きる
波長が長い（周波数が低い）と、障害物を回り込む（回析）
類似波長の波が重なると、強め合ったり、打ち消し合ったりする（干渉）
ある地点から送信された電波は、直接受信されるものもあれば、地面や床に反射して届くもの、反射した電波がさらに建物などに反射して届く場合など様々は方向から受信機に届く。（マルチパス）
アンテナの長さに関する知識の一つとして、実際のアンテナは、導体における伝搬速度が真空中(光速)より少し遅いため、波長から計算される長さより少し短く設計されている。
半波長ダイポールアンテナは波長λの1/2の導体を2分割した構造になっており、この中央部を交流で駆動します。
両端は電流ゼロで、中央部に交互に向きを変えて電流が流れる（交流）と、両端を「節」、中央を「腹」として共振が起きる。
中央部は電圧ゼロで、両端に交互に向きを変えて電圧が生じ、両端を「腹」、中央を「節」として共振が起きる。
長さが半波長の時、アンテナと送信電波が共振状態になり、最大電力が放射されます。受信においても受信電波とアンテナが共振状態になり最大電力を受け取ることができます。
アンテナを曲げたり、丸めたりすると電波の減衰が大きくなります。
引用：https://www.cleandenpa.net/museum/gaku/ga.html
マクスウェル(1831-1879)は、アンペールの法則及びファラデイの法則等から電気と磁気の性質を次のようにまとめ電磁波の存在を1864年に予言しました。
（1） １種類の電荷の力は放射状に直線的に広がる。（ガウスの法則）
（2） 磁気の力はループ状につながっている。（ガウスの法則）
（3） 電気が変化すると磁気が生まれる。（アンペールの法則）
（4） 磁気が変化すると電気が生まれる。（ファラデイの法則）
これらの関係を数式（マクスウェルの方程式）で表わして、電気と磁気が一体となって伝わる電磁波という波が存在することと、光はその一種であることを（1864）予言したのがマクスウェルというイギリスの学者です。
ヘルツ（1857-1894）は、ドイツのカールスルーエ工科大学で、1886年から1887年にかけて実験を行い、電波の存在を証明しました（1888）。
自然界には昔から静電気や雷の放電がありましたが、それらが電波を出していることは誰も知りませんでした。
ヘルツは、最初は、ライデン瓶を使って火花放電を起こし、それからの電波を受けて、電波が本当に存在する事を証明したのです。
ヘルツが最初に行った実験では、ライデン瓶に貯めた電荷を一つの渦巻きコイルの端子間で放電させると、傍らにあったもう一つの渦巻きコイルの端子間で小さな火花が飛ぶのに気がつきました。
この二つのコイル間に伝わったものこそ、マクスウェルスが予見した電磁波であると思い、実験を重ねた結果、電磁波の持つ性質を明らかにしました。
ヘルツが電波を発生させるために考案したアンテナは、数ミリの間隔をあけた二つの小球の両側に２本の導線を伸ばした構造で、実際の寸法は、導線の長さ約２ｍ、内側の球の直径約２cm、外側の球の直径約30cmです。
マルコーニ(1874-1973)は、1895年にイタリアのボローニア近郊の、自宅の裏庭から火花送信機により、モールス符号のS（３つの短点）を発射し、約2.4kmの距離で受信に成功しました。これが最初の無線電信の実験です（無線電信の発明）。
また、1901年、イングランドの西端とカナダのニューファゥンドランド島セイントジョンズ間で実験を行い、初めて3600kmの大西洋横断無線電信に成功しました。
2023.12.24
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今日はクリスマスイブ。
明日は結婚記念日、ファミリーのルーツ。
音波と音について勉強したくなった。
引用：https://www.jstage.jst.go.jp/article/jasj/66/9/66_KJ00006579569/_article/-char/ja/
哺乳類の蝸牛は約３回転の巻貝状の管で、横断面は基底膜と前庭膜によって三つに分けられている。
両膜で囲まれる部分が中央階であり、内リンパで満たされている。
その上が前庭階、下が鼓室階であり、両者は蝸牛の頂上で連なり、外リンパで満たされている。
耳小骨によって伝えられた鼓膜の振動は、卵円窓を振動させて前庭階の外リンパに伝えられ、前庭膜によって中央階の内リンパに伝えられる。
内リンパの振動は基底膜を振動させ、鼓室階に抜けて、正円窓から中耳へ開放される。
基底膜の上には、内側に1列の内有毛細胞、外側に3列の外有毛細胞が並び、内有毛細胞の毛は内リンパ液中にあり、外有毛細胞の毛はコルチ器官に食い込んでいる。
両有毛細胞の毛が揺れると、有毛細胞内にカルシウムイオンとカリウムイオンが流れ込み、細胞内の電位が上昇する。
一つの内有毛細胞には複数個の一次聴神経がシナプス接続している。
内有毛細胞内の電位が上昇すると神経伝達物質がシナプス間隙に放出され、一次聴神経の電位が急激に上昇し、インパルス発火となる。
蝸牛フィルタの中心周波数は基底膜の先端から根元に向かって対数的に並ぶ。
蝸牛の内径は根元で太く、先端に行くほど細くなるが、基底膜の幅と厚さは、基部が狭く厚く、先端部ほど広く薄くなっている。
基底膜の振動は基部から先端部へ向かって進む進行波となる。
高周波音では進行波が基底部の基部に近い場所で最大振幅となり、そこを越えると振幅は急激に減衰する。
低周波音では、進行波は先端の方まで進んで最大振幅となる。
複合音では高い周波数成分が蝸牛の基部に近い場所の基底膜を大きく振動させ、順次、より低いs周波数成分が奥の方の基底膜を振動させる。
2023.12.21
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今日、アクアの9年目の車検が終わった。
キーを押すとドアロックが解除される。
当たり前のことだが、考えてみると不思議だ。
玄関の中から、ドアを閉めた状態でも解除する。
電波の波がドアを通過し、車の電子装置を動かす。
まことに不思議な現象だ。
電波は光子の集合であり、光子が電子回路の中の電子を動かしている。
光子には波長があり、振動数を持つ。
さて、本格的に勉強しよう。
引用：https://techweb.rohm.co.jp/product/wireless/wireless-communication/wireless-communication-basic/1932/
＜半波長（λ/2）ダイポールアンテナ＞
使用する周波数の波長の半分（λ/2）の長さのアンテナで、アンテナの基本です。
効率が良いのが特徴です。
無線周波数とアンテナの長さの例を示します。念のため、λ[m] は、3×10^8[m] / 無線周波数[Hz]です。
920MHzの場合：λ = 約33cm → 約16.5cm
2.4GHzの場合：λ = 約12cm → 約6cm
半波長ダイポールアンテナは波長λの1/2の導体を2分割した構造になっており、この中央部を交流で駆動します。
両端は電流ゼロで、中央部に交互に向きを変えて電流が流れる（交流）と、両端を「節」、中央を「腹」として共振が起きる
中央部は電圧ゼロで、両端に交互に向きを変えて電圧が生じ、両端を「腹」、中央を「節」として共振が起きる
RD_5_R2dtl
長さが半波長の時、アンテナと送信電波が共振状態になり、最大電力が放射されます。
受信においても受信電波とアンテナが共振状態になり最大電力を受け取ることができます。
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アンテナと電波の共振か。
アンテナの中には自由電子が密集し、それらが作る電界の中を光子によりエネルギーが伝搬することになる。
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引用：https://www.oit.ac.jp/elc/~kumamoto/radio/03.pdf
コンデンサの間は空間があるが、交流信号は流れる
コンデンサの間を広げて外側に向けたものがアンテナ
アンテナから空間に向かって信号が放射される
導線に高周波電流が流れる：誘導電流の発生
電界アンテナ：電界の変化により電流を発生：ダイポールアンテナなど
磁界アンテナ：磁界の変化により電流を発生：ループアンテナなど
引用：https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/ne/18/00040/00004/
アンテナの長さが1/2波長よりも長くなると、どうなるか。
アンテナは中央部で電流分布は最大となるが、アンテナの端部の1/2波長より先の部分では、電流の極性が反転する。
その部分で電流の流れる向きに対して右ネジ方向に回転して放射された磁界は、端部の1/2波長の内側の部分で発生される磁界と逆方向に回転して発生するため、ここでは双方の磁界の発生を相殺してしまう。
電波の放射は磁界の発生に依存するので、アンテナから電波が有効に放射される領域は、1/2波長よりも短くなってしまう。
結果として、1/2波長よりも長いアンテナの電気長は、1/2波長より短くなり、電波の放射は弱くなる。
一方、アンテナが1/2波長よりも短い場合はどうか。
これは単純に、電波の放射に寄与する電気長が1/2波長よりも短いため、1/2波長の共振しているアンテナよりも電波の放射は弱くなる。
引用：https://www.rf-world.jp/dls/fujihira/pdf/Fujihira-radio-s01a.pdf
1次コイルに交流電流が流れることによって時間的に変化する磁束が発生します。
この磁束によって2次コイルに電圧が発生します。
ここで磁束は磁界によって、電圧は電界によって発生します。
①電流が流れると磁界が発生する。電流と磁界は直交している。
②磁界が時間的に変化すると電界が発生する。磁界と電界は直交している。
実は②の逆も成立します。
③電界が時間的に変化すると磁界が発生する。電界と磁界は直交している。
③が成立するので、時間的に変化する磁界が発生すれば電界が発生し、それが時間的に変化するので、さらに磁界が発生します。
こうして電界と磁界の鎖ができます。
電波発生源の近くでは、このような簡単な電磁界にならないということです。
①で発生する磁界は電流源から離れると急速に減衰します。
一方、②と③によって発生する電波は吸収がなく、かつ広がらない限り減衰しません。
電波発生源の近くでは非常に複雑な電磁界となり、電波発生源から十分離れてやっと電波のみになります。
トランスの1次コイルからも電波が放射されることになります。
確かに1次コイルからも電波は放射されますが、ごくごくわずかなものです。
その理由は、トランスで使用されている周波数では、③で発生する磁界は①で発生する磁界に比べ非常に小さいからです。
電界と磁界は同じ位相になります。
そもそも電波は電界と磁界によってエネルギーを運ぶものですから電界と磁界は同じ位相でなければなりません。
実際のラジオでは に示すアンテナで送信されています。
周波数fと波長λの間には fλ=c
[c:空気中の光速度≒3×10 m] という関係があります。
これによりf=1MHzでは、λ/4=c/4f=75m 8となります。
かなり長いアンテナです。
効率よく電波を放射するには、このように長いアンテナが必要です。
アンテナの近くでは前述したように非常に複雑な電磁界になっていますが、十分遠く離れた場所では②と③で発生する電波のみとなり、その電波は単純な平面波に近くなります。
このアンテナから十分遠く離れた場所での電界と磁界を に示します。
Z軸の1点で電界と磁界の方向と大きさ(ベクトル)を書き、そのベクトルの先端をZ軸に沿って示したものです。
ほとんど平面波なので、このZ軸を平行移動した軸でも、ほぼ同じ波形になります。
ここで重要なのは、ラジオの電波は電界が大地に垂直であり、磁界は大地に平行であることです。これを垂直偏波といいます。
上下に金属線を持つアンテナをダイポールアンテナといいます。
このダイポールアンテナを図のように電界に平行に置くと最大の電圧が発生します。
電界に直角に置くと電圧は発生しません。
重要なことが二つあります。
ひとつめは、どれだけの電圧が発生するかであり、もうひとつは、出力インピーダンスがいくらになるかです。
これらの二つを知れば、アンテナは等価回路で書き表すことができます。
ラジオとは、この等価回路で示される信号を増幅してスピーカやイヤホンを鳴らすものです。
アンテナは電波を放射するときにも使用されますが、このときも主にλ/2の長さのアンテナが使用されます。
電波を放射するときも同じ等価回路を使用できますが、抵抗で消費される電力の電波が放射されますから電波を放射するときの等価回路の抵抗は放射抵抗とよばれます。
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2024.12.21
2024.12.21
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