アンテナの仕組みについて（電気の速度？）

質問

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=50786
から分岐して参りました。参考に。

アンテナの”受信”特性は、その目的とする電磁波の波長をλとして、λ/2や、λ/4の長さ（アンテナ形式による）が効率が良いとされますが、その理屈が知りたいです。
自分なりに仮説を立ててみました。

仮説１：「アンテナ中を電荷が電磁波の力によって光速で移動（振動）するので、その長さをλ/2とすると共振するのに都合が良い」
こうすると疑問なのが、「ホントに電荷の移動速度は光速なのか？」という事です。
電子の速度はそんなに速くないというのは理解しています。
電子の移動速度が速いのではなく、電圧伝播が早いのだという事ですね。

僕が疑問に思うのは、その電圧伝播の速度です（電荷の移動速度とはこういうものですよね？）。
僕の意見としては、タイムラグがあるとすれば、それはその導電線の静電容量によるものであって、電圧伝播にかかる時間はゼロ（伝播速度∞）だと思うのです。
ちなみにこれは伝播の速度で、物質の移動速度ではないので相対性理論は無視できますよね。
すると仮説１は成り立ちません。

仮説２：「アンテナ中の電位の固有振動数の様なものが目的電磁波の周波数と一致する」
こうするとその固有振動数はアンテナ長さ等ではなく、静電容量的なもので決定付けられる様な気がするのですが…？

仮説３：「アンテナの電位が変動するのであるが、その電位の変動を出来るだけ大きく得るために、半波長が都合（効率）が良い（半波で振動の片方全体、例えばその電磁波の正（負）電位全て）を受けるから）」
そうするとアンテナは電磁波送信源に対して平行がよいはずだと思うのですが？

どなたか僕を納得させられる方いらっしゃいますか？
はっきりした理屈を知ってらっしゃいましたら仮設は無視して回答を下さって結構です。

回答No.3

motsuan

どうも話しをややこしくしているようで申し訳ありません。電流の振動は伝導率σ、電界ＥとしたときσＥで与えられます。つまり、（電波の通信で使っている振動数程度であれば）電流は電磁界といっしょに動くということです。電界の動き（電圧）で説明しようが、電流で説明しようが伝搬の速度という意味では同じということです。（ただし、信号増幅や伝搬を考えた場合インピーダンスのマッチングが問題になってくるので、電圧源のようなものとみなすか電流源のようなものとべきかは問題になると思います）。さらに、アンテナの信号はケーブルで引きまわさなければ、たんなる局在した振動と見なせばよいような気がするのですがあるいは、引きまわしたとしても、そのケーブルの先の出力としては、やはり、単なる電流／電圧の振動になると思います。（なお、ケーブル中の群速度＝情報の伝搬速度は構造的に真空中の電磁波の伝搬より若干遅いはずです。）

　以上のことはさておいて、電波として伝搬する電磁界の速さは光速と同じですが、位相速度は光速を超えてもかまいません。たとえば、共振器のなかでは位相速度はあるいみ発散しているとも言えます。さきのアドバイスではそのあたりのニュアンスを伝えたかったのでした。
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=34312
を参考にしてみてください。

　共振器の共振条件は共振器のなかで、端っこで跳ね返された波の位相が揃う（ギターの弦の振動のように）ということです。λ／２はこれで理解できると思います（腹が弦の真中にある振動）。したがって、共振器の真中から電力を取り出す。λ／４は片方の端に節をつくって、もう一方の端から電力を取り出す。こうすると、電力を取り出す部分が自由端のようになって、そこで跳ね返された電界がもうλ／４だけ進んで再び端で節をつくる。というようなものなのでしょうか？（この辺り全然しらないので）ＵＲＬを検索していたら、パンにアンテナをつけて電子レンジで焼く（？）ページがありました。（パンが焦げる理由は？？という感じでしたが）
http://www.cds.co.jp/ff/bread.htm

仮説ごとにいうと仮説１に関しては全体で振動しているだけなので、電子の動きの都合で共鳴が決まるわけではない（あくまでも、電波の波長の都合できまります）。ましてや電子1個1個がポールの端でぶつかって定在波をつくっているわけではない。（でも、電流の振動としては、電磁界にそって振動することは可能）。仮説２に関しては、固有振動数のようなものと一致することを共鳴というと思ってもらえばいいんじゃないでしょうか？インピーダンスの共鳴として考えてもらえばいいと思いますが、静電容量的であるか、インダクティブなものであるかはアンテナによると思います。（基本的には電磁波なので両方だと思います。）仮説３はよく分かりませんでした。電圧（電流）の取りだしとしては、確かに、共鳴の腹の部分（振幅が一番おおきな部分）から取り出すのが効率がいいと思います。

こんなところなのですが。

お礼

位相速度と群速度についての質問も見て参りました。
すみません、位相速度の発散とはどういう事でしょうか？
アンテナが電磁波送信源から無限遠にあるとすると、電磁波はそれぞれ平行であるとみなして、アンテナ素子は電磁波に垂直なのでアンテナ素子が受ける電磁波の位相というのは素子全体どこでも同じであるという事で正しいでしょうか？

話は変わりますが、
「全体で振動しているだけなので、電子の動きの都合で共鳴が決まるわけではない（あくまでも、電波の波長の都合できまります）」
との事ですが、電磁波の波長を共振理由とするからには、アンテナの素子は電磁波に平行でなければならないと思うのですが？
全然波長とアンテナ素子長に関連性が見出せないのです。
ダイポールアンテナも八木アンテナでも垂直ですよね。
確認ですが、仮説１は電磁波の波長ではなくアンテナ中の部分電位変動（振動）の振動数（電磁波進行方向と垂直）を共振理由としています。

「端っこで跳ね返された波の位相が揃う（ギターの弦の振動のように）」
というのはなるほどとても納得できます。
確かに八木アンテナは真ん中から電位変動を取り出してますね。
が、上記の様にアンテナ素子が電磁波進行方向に平行でないと納得いきません。

お礼が遅くなったのをお詫び申し上げます。
よろしければもう少し補足お願いします。

補足

パンの焦げる理由ですが、アンテナに生じた（アースとの）電位差によって、パンを介して電流が流れ、その仕事（ジュール熱）によって焦げたと思います。