電磁波は横波？

質問

電磁波は電界と磁界が交互に変化してるのが波動として伝わっているみたいですが、交互に変化しているなら縦も横もないような気がします。
しかし、電磁波は横波だと聞きました。一体何を基準に縦波か横波かを決めているのでしょうか？

回答No.10

heboiboro · ベストアンサー

多分、電場と磁場がベクトル量だということをご存知ないのではないでしょうか。
ベクトル量というのは、色々言い方がありますが、「向きと大きさを持つ量」です。あるいは、簡単なイメージとしては、「ベクトルとは矢印のこと」です。矢印の向きがそのベクトルの向きを表し、矢印の長さがそのベクトルの大きさを表します。
電場というのはベクトル量、より正確には「ベクトル場」です。空間の各点に、ベクトルが定められています。磁場も同じです。その変化の伝播が電磁波です。

空間のベクトルは、一般に3つの数値、すなわちx成分、y成分、z成分で表すことができます。というのは、矢印の始点を座標原点に置いてみたときの、終点（矢印の先端）の座標(x,y,zの3つの数字)を使うことで、その矢印の向きと大きさを表すことができるからです。
いま、たとえば「z方向に進行する電磁波」があったとします。このとき、電場のx成分、y成分は空間的・時間的に振動している（波として伝播している）のですが、電場のz成分は変化していません。
これが電磁波が横波であるという意味です。

お礼

え？電場と磁場ってベクトル量だったんですか？
なるほど、それなら電磁波に縦波と横波の概念があるのも頷ける。
回答有難うございました。

回答No.11

tetsumyi

進行方向に対して進行方向に変化が起きる場合を縦波と言います。
電磁波どうか言えば電磁場の変化ですから空間として進行方向の変化とはとてもいえません。
つまり進行方向のような１次元空間での変化でなく別の次元の変化であることから横波という表現を使います。
これを水の表面の波のような進行方向に対して直角方向の変化としての横波と考えるのは間違いと思ったほうが良いでしょう。

「電磁波は電界と磁界が交互に変化してるのが波動として伝わっている」と言う見方は古典的な表現であって正しいものではありません。

お礼

電界と磁界が交互に変化しながら進んでると縦波も横波も関係無いような気がしていたのですが、どうやら自分は電場と磁場がベクトル量である事を知らなかっただけのようです。
回答有難うございました。

回答No.9

tadys

スポーツ観戦をしている時にウエーブが起きることが有りますよね。
「ウエーブ」つまり波です。
この時の波の進み方と人の頭の動きを見ると、波は右から左（又は逆）に動くのに頭は上下に動きます。
波の進行方向と波を作っている頭の動きの方向は直角になっています。これは横波です。

それでは、座ったままで頭を前後に揺らす波はどうでしょうか。
これを上から見ると波の進行方向と頭の動きが直角になっているので横波です。

次に頭を左右に揺らす波はどうでしょうか。
この場合、波の進行方向と頭の動く方向は同じですので縦波になります。

「ウエーブ」の場合、横から見ると頭が上下に動きますが真上から見ると左右には動いていません。見る方向によって動きが変わります。
左右に揺らす波の場合は横から見ても上から見ても動いているのが見えます。

進行方向に対して波を作っているものが直角に動いているものが横波で、同じ方向に動いているのが縦波です。
ちなみに、電磁波以外で横波が伝わる事が出来るのは固体中に限られます。
空気中を伝わる音波には縦波しかありません。

お礼

回答有難うございます。
縦波と横波の違いとしては分かりやすかったです。
だけど、自分にはその波を電磁波に当てはめて考える事が出来ないんですよ。

回答No.8

htms42

偏光板は光が横波であることを説明する時によく使われます。
でも偏光板の構造は目に見えません。構造から性質を説明するのはやはり無理があるでしょう。

２枚の偏光板を重ねて光の通り方を見た場合、偏光板の重なり方によって光の透過度が異なります。
片方を固定して他方を回転させて行きます。明るさが大きく変わります。ほとんど光が通らなくなる角度とよく光が通る角度が９０°ごとに出てきます。
これから言えることは「縦波だったらこういうことは起こらないだろう」ということだけではないでしょうか。
「光を通す物質の状態が進行方向に垂直な方向で変化したとしても縦波だったら影響を受けないだろう」ということです。「縦波でなければ横波だ」ということになります。

高校物理の教材に「マイクロ波発生機」というのがあります。「兄」という漢字の足の部分が横に伸びたような形の発信アンテナ（棒アンテナ）が付いています。棒の延びている方向は電波を送る方向に対して垂直です。後ろに放物線の形をした送信反射板が付いています。
そこから出た電波を別のアンテナで受け取ってアンプに通します。電波を受けとるとスピーカーから音が出ます。
棒アンテナですから棒の方向に電界が振動します。空中を伝わる電波もこの方向に振動しています。
途中に枠に金属棒を平行に取り付けた「すだれ」を置きます。枠の大きさは新聞紙１ページぐらいです。金属棒の間隔は５ｃｍほどです。
すだれの金属棒の向きを発信アンテナの棒の方向に対して回転させて行きます。マイクから聞こえる音の強さが変化します。金属棒の向きと発信アンテナの棒の方向が平行の時にマイクから聞こえる音が一番小さくなります。垂直の時に一番大きく聞こえます。
平行の時にはすだれの棒がアンテナの役割をして電波を吸収するからです。発信の時と同じ方向の電界の振動が金属棒で起こることが可能だからです。（穴を通るというイメージではないというのが分かるので生徒は感心します。）
この装置は偏光板の（目に見えるスケールへの）拡大版になっています。

おまけ
２枚の偏光板の間にセロファン紙を重ねたものを挟みます。片方の偏光板を回転させていくとセロファンの部分が虹色に変化します。万華鏡の色の変化のようにも見えます。セロファンの重なり具合の違いで色の違いが生じます。これはセロファンの材料である物質の示す「旋光性」によるものです。１枚目の偏光板を通過してきた光は偏光しています。その偏光面を回転させる働きが旋光性です。その性質の強さが波長ごとに変化するので重なり具合の違いで色の分散が生じることになります。

偏光板が手に入るようであればやってみて下さい。
ポリエチレンの袋の断片を引き延ばしたものを間に挟んでも同じような色の変化を見ることができます。

お礼

マイクロ波発生機などの機材は見たことがないので実感がわきませんが、アンテナの例はなんとなくですがイメージ出来ました。
回答有難うございました。

回答No.7

sanori

コメントにお答えします。

＞＞＞偏光板が「縦方向に電気が振動する電磁波は通りやすく、横方向に電気が振動する電磁波は通りにくい」になる事がよく分かりません。

牢屋の鉄格子の外にいる人から中にいる人に、刀や棒などの長細いものを受け渡すとき、鉄格子と平行にすれば通り、垂直にすれば通りません。
それと本質的に同じことです。

＞＞＞そもそも「縦方向に振動する電磁波」「横方向に振動する電磁波」がよく分かりません。
＞＞＞電磁波に進行方向があるのは理解出来るのですが、電磁波の振動に向きがある事が理解出来ません。

はい。私自身も大学を卒業するまで理解できませんでした。
一応、有名大学の学生だったんですけど、そんなもんです。
理解できたのは、会社で液晶パネルの仕事をしたときです。

人間は一般に、自分の目に見えることを信じ、見えないことは「理解できない」と感じるものです。
「光は横波」と言われても、目に見えないから「難しい」と感じます。
その一方、物体に色があること、物と物がすり抜けることができずぶつかること、１気圧というとんでもなく大きい圧力の中で人間が死なずに過ごせること、氷が水より軽いこと、・・・
当たり前のことだと我々が思っていて実は理屈が難しいという例は、身の回りに数えきれないほどたくさんあります。
そして、それらは「光が横波」という単純なことより、はるかに説明が難しい物理現象なのです。

つまり私が言いたいことは、「なぜ光（電磁波）は横波なのか」という疑問を持つ前に、光が横波だという事実を受け入れることから始めるべきであるということです。
すると、偏光板の件も、「光が横波だから、当然だよな」と考えることができます。
それが私自身がたどったプロセスでもあります。

ちなみに、電磁気の現象のすべては、マクスウェル方程式と呼ばれる４つの方程式だけで説明されます。
（ただし、量子力学は除く）
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k4housoku/maxeq.htm
横波である電磁波の存在は、上のリンクの第３、第４の式から導かれます。
面食らうと思いますが、これでも物理学の中では比較的簡単な部類に入ります。
解けない人は、難しいことを考えずに事実を受け入れるしかないです。
私自身も最初はそうでした。
物理現象の理解というのは、理論から入るより、現象から入るほうがいいです。

なお、偏光板に関するわかりやすい図を探して見つけましたので、リンクを貼っておきます。
図を見ることで、あたかもわかってしまったような気になれれば成功です。私もそうでした。
１
http://tsukuba-ibk.com/omosiro/2010/01/post-50.html

２
http://www.optlab.co.jp/hpgen/HPB/entries/48.html

お礼

あんなに難しいマクスウェル方程式でも物理では簡単な方ですか。
リンク先のサイトを見て、なんとなくですが分かったような気にはなりました。
マクスウェル方程式はある程度物理が出来るようになってから学習したいと思います。
回答有難うございました。

回答No.6

sanori

こんにちは。

「電磁誘導」とか「右手の法則」とか「左手の法則」って聞いたことありますよね？
これを簡単に表現すると、
・「電気が変化すると、それと垂直な方向で磁気が変化する」
・「磁気が変化すると、それと垂直な方向で電気が変化する」
ということになります。

直線の導線に電気を流すと、その周りに円を描くような磁気が発生しますが、それも、電気と磁気の関係が垂直だからです。

電気の変化が磁気の変化を生み、そして生まれた磁気の変化が電気の変化を生みます。
連鎖反応的に電気と磁気が振動し、延々とその繰返しになります。
電磁波の進行方向に対して、たとえば上下方向に電気が振動し、左右方向に磁気が振動します。
ですから「電磁波」と言いますし、横波です。

・・・と言っても、わかりにくいですか？

電磁波が横波であることを如実に表すものがあります。
それは、偏光板です。
偏光板というのは、染料で染めた樹脂の板を強制的に一方向だけに引き伸ばして作るものです。
引き伸ばすと、いわば、グラフ用紙のマスが正方形から長方形になったのと同じことになります。
すると、たとえば、「縦方向に電気が振動する電磁波は通りやすく、横方向に電気が振動する電磁波は通りにくい」ということになります。
偏光板を２枚重ねると、１枚目の偏光板と２枚目の偏光板の「長方形」の向きがそろっていれば、１枚目で５０％がカットされ、２枚目ではカットはされず、結果として５０％の電磁波が通過します。
これが、１枚目と２枚目の「長方形」の向きが９０°の関係になると、１枚目で５０％通過した電磁波は２枚目を通ることができず、結果として通過する電磁波は０％となります。
もしも電磁波が縦波ならば、このように偏光板の角度によって通りやすい・通りにくいという現象は発生しません。

もしも偏光板、あるいは、偏光レンズの眼鏡（釣りをやる人なら持っているかも）を持っているようでしたら、液晶モニターや液晶テレビの前で、偏光板や眼鏡の角度を変えながら見てみる実験をするとよいです。
液晶パネルから出てきている光は、偏光板を通して出てきている光ですから、偏光板の角度を変えると、画面が暗くなったり明るくなったりします。

お礼

う～ん、自分には偏光板の例を用いても理解出来ませんでした。
回答有難うございました。

補足

偏光板が「縦方向に電気が振動する電磁波は通りやすく、横方向に電気が振動する電磁波は通りにくい」になる事がよく分かりません。
そもそも「縦方向に振動する電磁波」「横方向に振動する電磁波」がよく分かりません。
電磁波に進行方向があるのは理解出来るのですが、電磁波の振動に向きがある事が理解出来ません。

回答No.5

sailor

縦波と横波の意味を取り違えているようですね。ここで言う縦横は水平・垂直のことではないんですよ。
波のふれる方向が進行方向に対して直角なものを横波といい進行方向に対して平行なものを縦波といいます。縦波代表は音波でしょう。音もご存知の通り波ですが、空気の圧力の変化が進行方向と同じ方向で変化しているので縦波といいます。進行方向に対して縦か横かということで水平垂直とは無関係です。

横波の場合水平・垂直があるのは確かですが、これは縦横という言葉使わずに偏波という言葉を使い電場の変化する方向が水平なものを水平偏波、垂直なものを垂直偏波と呼びます。

お礼

う～ん、何が違うんだろう？
回答有難うございました。

補足

「電場の変化する方向が水平」とはどういう事でしょうか？
「電場の変化する進行方向」ならまだ分かるのですが、電場の変化に水平・垂直の向きがある事が理解出来ません。

回答No.4

malaytrace

縦波＝疎密波　です。気体や液体中も伝わる音波みたいなやつ。進行方向と振動方向が一緒ってやつです。

横波は進行方向と振動方向が直角をなし、（電磁波除き）固体中を伝わるもの。これはわかりますよね。

で、電磁波は偏光や偏波なんていうものがありますから、振動方向と進行方向が直角ですね。通常の光は進行方向と垂直な面上のあらゆる方向に振動する波を均等に含んでいると考えます。

電波の場合では送信側アンテナの形状によって垂直偏波、水平偏波が変わりますから、横波であることが実感しやすいのでは？どちらにしろ送信局の方向に対し、アンテナ素子が垂直になるよう設置するでしょう？

お礼

う～ん、どうして振動方向と進行方向が直角だと分かるんだろう？
回答有難うございました。

補足

電磁波の振動方向ってどういうものでしょうか？
電界＞磁界＞電界＞磁界と変化しながら進んでいるとしても、その進行方向に水平な振動や垂直な振動があるというのが理解出来ません。

回答No.3

Willyt

電磁波は横波です。しかもお互いに直行する二つの波が重なったものです。一つは電界の波、もう一つは磁界の波です。これの証明はベクトル幾何学を使いますがこれはちょっと難解です。信じて貰うしかないかなと思いますよ。納得が行かないときは下記を参照して下さい。かなり手強いですよ(^_-)

参考URL：

http://www.jsimplicity.com/ja_Report_Electromagnetism_html/ja_Chapter14_ElectromagneticWave.html

お礼

有難うございます。しかし、サイトを見てみましたが全く理解出来ません。
数学は得意な方だと思うのですが、それでも見ただけで目眩が・・・

回答No.2

Tacosan

自分で調べないのですか?

お礼

調べてから質問したのですが・・・

補足

ネット上では縦波と横波の違いについて解説しているサイトはいくらでもあるが、電磁波に縦波と横波が存在する理由について解説しているサイトはありませんでしたよ。

回答No.1

take0_0

私も最初聞いたときは、水平偏波と垂直偏波で縦横が変わるのか？ なんて思っていましたので、お気持ちは良くわかります。(^^;
結論を言うと、波が進む方向と垂直に振動するのが横波、同方向に振動するのが縦波です。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B8%A6%E6%B3%A2%E3%81%A8%E6%A8%AA%E6%B3%A2

物理学の実験ではよく、ばねを使って説明します。
階段を下りていくばねのおもちゃがありますよね？
あれをまっすぐにやや伸ばして置いて、長さ方向に揺すると間隔が縮まります。で、その縮まりが順次伝わっていきます。これが縦波。
同じもので、長さ方向と垂直に揺らしてやると、その波も伝わっていきます。これが横波。

基本的にはこんなイメージで捉えておくと良いかと思います。

お礼

回答有難うございました。

補足

一応縦波と横波の違いは分かっているつもりです。
たとえば、音は空気の密度が変化しているから縦波ですよね。
しかし、電磁波の場合どうして横波になるのかが分からないんです。