電磁波の基本

電磁波は、電場（電気的な力場）と磁場（磁気的な力場）が相互に影響し合いながら空間を伝搬する波動です。これは電気的なエネルギーと磁気的なエネルギーが交互に変換されながら進む波として捉えられます。

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1. 電磁波の基本構造

• 電場 (Electric Field, E)

  • 電荷が作る力場

  • 単位はボルト毎メートル (V/m)

  • 電場の振動方向は電磁波の進行方向に対して垂直

• 磁場 (Magnetic Field, B)

  • 電流や移動する電荷が作る力場

  • 単位はテスラ (T) またはガウス (G)

  • 磁場の振動方向も電磁波の進行方向に対して垂直

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2. マックスウェルの方程式

電磁波はマックスウェルの方程式によって理論的に説明されます。この4つの基本方程式は以下の通りです。

1. ガウスの法則（電場）

   ∇⋅E=ρϵ0\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}

   • 電場の発生源は電荷

2. ガウスの法則（磁場）

   ∇⋅B=0\nabla \cdot \mathbf{B} = 0

   • 磁場には単独の磁極（磁荷）は存在しない

3. ファラデーの法則（電磁誘導）

   ∇×E=−∂B∂t\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}

   • 磁場の変化は電場を発生させる

4. アンペール・マクスウェルの法則

   ∇×B=μ0J+μ0ϵ0∂E∂t\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}

   • 電流と電場の変化が磁場を発生させる

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3. 電磁波の基本特性

特性	説明
波長 (λ)	波の長さ（ピークからピークまでの距離）
周波数 (f)	1秒間に振動する回数
速度 (c)	電磁波の伝搬速度（真空中で約299,792,458 m/s）
振幅 (A)	波の高さ、エネルギーの大きさに比例
位相 (φ)	波の進行における特定の時点の位置

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4. 電磁波のスペクトル

電磁波はその周波数または波長に応じて以下のように分類されます。

名称	周波数範囲	波長範囲	代表的な用途
ラジオ波	3 kHz - 300 GHz	100 km - 1 mm	AM/FMラジオ、Wi-Fi、5G
赤外線 (IR)	300 GHz - 430 THz	1 mm - 700 nm	リモコン、ナイトビジョン
可視光	430 THz - 770 THz	700 nm - 380 nm	照明、光通信
紫外線 (UV)	770 THz - 30 PHz	380 nm - 10 nm	日焼け、殺菌
X線	30 PHz - 30 EHz	10 nm - 0.01 nm	医療診断、空港セキュリティ
ガンマ線	> 30 EHz	< 0.01 nm	放射線治療、宇宙観測

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5. 電磁波の性質

• 反射：表面で反射される性質（鏡やレーダー）

• 屈折：媒質によって速度が変わり、進行方向が曲がる

• 回折：障害物の端で曲がる

• 干渉：複数の波が重なり合って新たな波形を形成

• 偏光：電場の振動方向が特定の方向に揃う現象

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6. 電磁波のエネルギーと光量子

• 電磁波はエネルギーを持ち、そのエネルギーはプランク定数 (h) を用いて以下のように計算されます。

E=hfE = h f

• h：プランク定数 (6.626 × 10^-34 J・s)

• f：周波数 (Hz)