100ｋHz未満の電波というのはないのでしょうか?

質問

(1)「100ｋHz未満の電波というのはない」　この命題が正か誤か教えてください。この命題が正の場合、その理由を教えてください。（法律用語としてでなくて、科学とかのジャンルとして）

(2)「イメージとして、電子１個をお箸でつまんで、１秒に一往復のペース(1Hz)でゆっくりと頭上で左右に肩幅大に振る、と、周囲の空間には、1Hzの電波が発生し、無限遠まで、（もちろん減衰しながら）光速で伝播する」　この命題が正か誤か教えてください。誤の場合理由は?

よろしくお願いします。

背景1：電波とは何か、という疑問を実感として解決したい。電波とは何か、に関して、腑に落ちる説明を探しつつある過程にいます。

背景2: http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=8565「ご質問」とそれへの良回答(20pt)というのを読みました。「電界が伸びたり縮んだりするのが、ぶっちぎれる」という理解にやや納得できそうな感じをもち、感激しました。
http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=8565
http://www.okweb.ne.jp/iwedding/kotaeru.php3?q_id=8565

背景3:しかし、そのご回答のなかで、(1)が正である、と示されているのが腑に落ちなかった。

背景3:私のイメージでは　(1)は誤で、(2)は正、になるのではないかと思っています。しかし、私が間違っている可能性大です。私が誤っていたら教えてください。よろしくお願いします。

回答No.11

Umada

まずglairさんの再質問(1)～(3)ですがいずれも私は正しいと考えます。

またλ/2ダイポールやλ/4グラウンドプレーンの効率がよい理由は、(電気的な)共振です。
光の速度と関係しているという予想は大体正しいです。有限な径の導体線中を高周波電流が進むときその速度はほぼ光速になります。(実際にはそれより僅か小さく0.95～0.99倍になります。この倍率を「短縮率」と言います)
短縮率まで含めたその導体の電気的な長さがλ/2になれば、共振して効率よく電波を発射できるわけです。ただし共振が起きる形状はなにも直線状の導体だけではないので、他にもいろいろな形式のアンテナが存在するのです。
アンテナの分野は学問としてはほぼ完成された領域と考えてよいと思います。本もたくさん出ていますから、glairさんの疑問の多くはそれを読めば解けると思います。

それから(5)の(a)は誤りです。フーリエ変換を学べば分かるのですが、モールス符号を例えば毎分100短点くらいのレートで送ることはそれ自体が100Hzの振動であるため1Hzの電磁波に乗せることはできません。(敢えて送るなら帯域があっというまに広がってしまいもはや1Hzの電波と言えなくなる)
こちらについて詳しく知りたければ、通信理論、伝送理論の本を探してみてください。基礎的な部分ですからすぐに見つかると思います。

アンテナの大きさの幾何的制限を考えないとすれば、次なる問題は上記のように伝送速度の遅さではないでしょうか。

お礼

再質問に回答ありがとうございます。「まずglairさんの再質問(1)～(3)ですがいずれも私は正しいと考えます」と拝見して、まずは、かなり安心できました。常識的な観点で論を進めても、ある程度合っているところまでは合っているのか、よかった、と思えたからです。「光の速度と関係しているという予想は大体正しいです。」というところも嬉しかったです。

「…の効率が良い理由は（電気的な）共振です」を拝見しました。共振という概念が大事なのだ、と認識できました。この術語「共振」を特定して頂いて、よかった、と思います。まずは、「共振」という用語を、とりあえずブラックボックスとして用いても、自らの疑問に、次のようにしのぐことができるから、安心できます。例えば自分の再質問(4)(5)には、次のように答えられますよね。

(4)無数の導体の集合から群を抜く、優秀なアンテナとは一体なにが優秀なのか？
→対象周波数の電磁波に「共振」できる点。他の無数の導体たちは（通常は）「共振」できない。「共振」とはとても注意深く設計した結果初めて期待できるもので、不定形の鉄板や導体を適当に使って、偶発的にある周波数に「共振」が起こることを期待しても無理。そこで、注意深く設計されたアンテナが当然ながら、「共振」の達成という点で、他のもろもろのものから、群を抜く性能という結果になる。

(5)"Aは実用的である"ということの必要条件であろうところの、"Aは効率的である"状態とは、一体、どういう原理によって支えられているのか？　
→最低条件として、対象周波数の電磁波に「共振」できること。仮に、「共振」できなければ、（まず確実に）効率的でない。よって（相当多くの場合）実用的でない。

とここまでは、とりあえず押さえました。

さて、そうすると、次に、この「共振」という魔法の言葉を、できるだけ腑に落ちる次元まで、解体して理解したい。

私にとってなんとか腑に落ちる次元というのは、私の再質問の(1)(2)(3)に使ったような言葉、即ち、「電荷・振動・電磁波・変換・光速・長さ・波長・周波数・…」　あたりまでで、インピーダンスとか、リアクタンス、インダクタンスとか、コイルとかは、あまり導入したくないのです。

術語は、次のよう言い換えることが可能でしょうか。

(a)アンテナ＝
電荷振動と電磁波の「変換」をするもの

(b)良いアンテナ＝
電荷振動と電磁波の「変換」をするものの内、変換「効率」がずば抜けて良いもの

(c)変換「効率」がずば抜けて良い＝
共振している＝
（実用的という概念を構成する主要な要素の一つ）＝
電荷振動と電磁波の「変換」の情景を思い浮かべて、
電磁波（の生み出す力）に押されて、ほぼ「光速」で運動した電荷が丁度１往復完了するや否や、
丁度そのタイミングで
電磁波の次の周期の同位相部分が来て、
その電荷はさっきと同じ往復運動を再開する。
（このためには、電荷が振動するための電気的な長さがλ/2であると丁度良い）

これで、ずいぶん私は、納得できるような気がしてきました。
しかし、なにか、間違いがあるかもしれません。
間違いや、より適切な発想が、ありましたら、ご指摘いただけたらありがたいです。

補足

いろいろとありがとうございます．Umada様はじめ皆様のいろいろな回答に導かれて、自分なりに（恐らくそれほど独創的ではないと思う、常識的な＝安定した)「共振」のイメージが持てたこと、それを、No.151632の回答で、概ね合っている、とUmada様に言っていただけたこと、で、そうとうに安心しました．

そして、さらに、実用的、という概念への質問への、Umada様はじめ皆さんの回答、即ち、「アンテナの大きさなの幾何学的制限」や「伝送速度の大小」のことを考えました．それらを「共振」と関連付けて納得しようとすると、なにか腑に落ちきらない感が、まだ私の視野のずっと端の方にあることが、わかりました．私の質問の水準が、次なるフェーズに入った感じがしています．

捕捉質問(1)「共振」は、（極端に低周波数の電磁波であり、あまり書籍等に記載されて「いない」ところの）1Hzとか、1千万分の1Hzの電磁波に対しても、「原理的に」、本当に、起こりうるか？ (yes, no)

捕捉質問(2)　上記質問(1)の答えが、もし、yesのとき、それは、やはり「共振」と、平気で呼ばれているか？あるいは、名前がついていない、ものか？あるいは、電波天文学等の分野で慣習上別の名前がついているのではないか？その場合その名前は何か？

捕捉質問(3)　上記質問(1)の答えが、もし、yesのとき、その「共振」は、（極端に低周波数の電磁波であるところの）1Hzとか、1千万分の1Hzの電磁波に対しても、技術的に、途方もない天文学的なお金と労力と時間(恐らく宇宙における巨大電気回路の建設のための労力と時間）をかけさえれば、生じせしめ得るか．つまり全くの「量的な問題」のみを克服すれば生じせしめ得るか．（yes, no)　……というのも、どんどん巨大にしていくと、どこからか以上は、なにか「光速」の特性に基づく質的な変化が、「共振」を阻むことがあるような気もして…．それがこのレベルの周波数の通信搬送波として利用に関する、「実用的でない」いくつかの理由のうち、最も最後に現れる（量的な対応では除去できない）最も打ち破り難い理由のような気がして…（→気のせいかもしれません．詳しい人、想像をまじえながらでも良いので、ご示唆をお願いします．）（例：日本列島の幅ぐらいの太さ（幅）の円筒形の長い銅線を作ると抵抗の質的変化があるなど→よく知らないが．）繰り返しになりますが、この場合、アンテナサイズが、地球や太陽系からはみ出ても（それは「量的問題」と見て）一向に問題なし、と今はしたい．同様に、伝送速度が極めて遅いことも（それは「量的問題」と見て）特に問題なしとしたい．１千万ボルトを越える電源が必要としても（それは「量的問題」と見て）特に問題なしとしたい．それら量的問題は、問題なしとしても、なにか、残る、問題があるのではないか．まだ問題が、それも、すごい問題が、あるのではないか．それはなにか、「光速」というものが、この規模になると、なにか質的に、扱いが変わる、ことに関係しているような気がして…（気のせいかな…）

捕捉質問(5)上記の４質問は極端な低周波数の電磁波に関してであるが、極端な高周波数の電磁波(X線とかそれ以上）について同様の質問と読み替えた、場合どうでしょうか？つまり、X線（かそれ以上の周波数の電磁波の）「共振」は原理的に可能か？X線（かそれ以上の周波数の電磁波の共振は、）やはり共振と呼ばれているかあるいは他の科学分野での習慣上の別名があるか？X線（あるいはそれより小さい周波数の電磁波）を通信搬送波とするラジオや通信機は技術的に作れるか（お金と労力の量的な問題は無視できるとする）．

何を質問しているか、というと、電磁気学の理論などが、本当に、極ーーーーー端に低い（or 高い）周波数でも、その値に依存しないで、常に成立するのか、ということに関心があるといえる．言い換えると、周波数の量的変化が、限度を越えると、（あまり我々によって日ごろは意識されない「電磁気学の（隠れた)適用「範囲」」を越えると）、電磁気学はいきなり、がくん、と成立しない次元があるのではないか、という点が、私の内部にあるもくもくとしたくものように、隠れた（そして多分間違っている可能性はすごく大きい）予想のようです．その雲がでてくる遠い由来は、「共振」という概念を私が作り上げる過程で「光速」ということをしっかり入れ込んだからかと思います．

ある意味では、電磁気学の（隠れた）適用範囲、などない！思い過ごしじゃ、常に成立するのじゃ～！ときっぱり言い切ってもらえて、（かつ納得できた）、なら、私が次になすべきことは、「共振」に関する私が持ったイメージ理解から、できれば「光速」の概念を追い出した、一層正確な理解イメージを作るべきなのだろう、と予感しています．…

いずれにせよ、へんてこなことを、思い切って、聞ける場があり、大変嬉しいです．

今まで回答を頂いたかたがたに大変感謝しています．よかったらこの問題についても、気楽な感じで、ご意見を、よろしくお願い申し上げます．

また、ここで提示させていただいた捕捉質問は、もしかすると、全く新しい方によってもご示唆がいただける可能性もあるような気がしていますので、遠慮されずにご意見を下さい．

お時間がありましたらよろしくお願いします．