光速度不変の原理 ～妄想力を駆使して考えた～

電気の波 磁気の波

　さっき「光は電磁波の一種と考えられています」なんてサラって言っちゃったんですが、この「電磁波」のことも知らないと話にならないんで、ちょっと触れておきます。

　1820年のことです。デンマークのエルステッドっていう人がすんごいことを発見します。大学での講義中、電流の両極をつないだ針金の近くに、たまたま方位磁石を置いていたんです。で、その針金に電流を流しました。すると驚いたことに方位磁石の針が動いたんです。これを見たエルステッドは電流から磁気が生み出されるということに気付いたわけです。

　じゃあ、この発見の何がすごいのか。それまでは電気と磁気の間に何か関係があるとは思われていなかったんですが、電気が流れることで磁気が生み出されるということから、電気と磁気の間には実はハンパなく深い関係があったということが分かったのがすごいことなんです。ここから電気と磁気に関する研究が一気に進んでいきます。

　電気で磁気を作れるんだったら、逆に磁気から電気を作れるんじゃね？って思うのが人情です。で、それをやっちゃったのがファラデーです。磁気で電気を作っちゃいました。今、電気が自由に使えるのは彼のおかげです…いや、彼がやらなくても誰かがやったかもしれませんが。

　まあ、ファラデーが磁気から電気作り出しただけでもすごいんですが、もう一つ彼のすごいのは「場（ば）」という考え方を思いついたこと。じゃあ「場」ってなんでしょうか。

　例えばここに磁石を置きます。近くにクリップを置くと磁石にくっつきます。磁石とクリップが何かでつながっているわけではないのに、まるで何かに引っ張られているかのようにクリップは磁石に吸い付いていきます。ファラデーは磁石とクリップの間の空間に何かの力もしくはエネルギーがあるのではないかと考えました。この、クリップを引き付けるエネルギーがあると思われる空間を「場」と呼ぶことにしたのです。

　磁石の周りにあるのが「磁場」。電気エネルギーの周りにあるのが「電場」。ファラデーが考えたのはここまでですが、見えなくても何かの力があるように感じるものが他にもありますよね。そう、重力です。だから「重力場」というのもあります。あ、電場と磁場を一緒にしちゃって「電磁場」なんて呼び方もします。

　そうそう。電界、磁界なんて呼び方で教わった人もいると思います。意味は電場、磁場と一緒ですがここでは｢界｣ではなく｢場｣のほうを使います。慌てなくても大丈夫です。

　で、実際のところ「場」って目に見えるものではないです。ただ単に説明しやすいから「場」というものを考え出したんだと思います。確かに、何もないところに「場」というものがあることにしてしまえば、取り敢えずは「力の元は何か」なんて説明は後回しにして、「今起きている現象は目に見えない謎めいた力が場を通して伝わることで起きてるんですよ～」っていう説明で済んでしまいますから、便利ではあります。ただ、結果として、電気、磁気の力が一体なんなのかという説明がないまま、そのままズルズルと21世紀になってしまったわけですが。まあ、その話は改めてすることにしましょう。

　それはさておき、ファラデーのおかげもあって、電気や磁気に関する研究はドンドン進んで、フレミングの左手の法則とかいろいろな法則が発見されたのもこの頃です。そして、ファラデーや他の人が実験で発見したことを数式としてまとめたのが、前にお話したマクスウェルです。この時に初めて電磁波というものがあるはずだという予言をして、また、光は電磁波の一種だということも言っています。そしてその後、電磁波を発見したのはヘルツです。

　とまあ、こんな感じで光は電磁波の一種ということになっていますし、私もおそらくそうだろうなとは思っています。でも電磁波って何よって思いますよね。何で「電気の波」と「磁気の波」足してるんだよ、と思いませんか？それに、電気と磁気は波として空間を伝わっているのでしょうか。電気と磁気が波かどうかは置いといて、何で「電磁波」と言う呼ばれ方をしているのか。それは、電磁波がどんなふうに空間を伝わっていると考えられているか、ということに関係しています。

　さっきも言いましたが、電気が流れると磁気が発生します。この発生の仕方ですが、針金が左から右に張られているとします。あ、右から左でも良いんですよ。まあ、針金を横向きに張るということです。で、この左右に張られた針金の両端に電極をつけて電流を流すと、磁気が針金と垂直に発生するんです。東西南北で言うと、東西に電流が流れると磁気は南北方向に発生するということです。…あ、でも南北方向って言うと誤解を招きそうですね。

　コイルって知っていますか？……あ～っと。一本の鉛筆を頭に思い浮かべてください。六角形のではなく、できれば丸いやつ。これが電気の流れる線です。まあ、この鉛筆をエナメル線だと思ってください。

　で、この鉛筆の端から端まで糸をグルグルと何重にも巻きつけます。秋田名物の「きりたんぽ」みたいな感じになるまで巻きつけると、これが電気を流した時に発生している磁気のイメージになります。エナメル線に対して垂直に、エナメル線の周りを取り囲むように磁気は発生します。

　では、逆はどうか。磁気が発生しただけで電気が発生するわけではありません。もし磁気が発生しただけで電気が発生するとしたら、磁石触るだけでビリビリきちゃいます。っつうか、磁石を使っているスマホやらテレビのリモコンやらあちらこちらでビリビリきて生活できないし、ピップエレキバンも怖くて貼れません。

　磁石で電気を発生させる方法は、ざっくりと言いますが電気を流したいと思う針金などの線のすぐ側で、針金に対して垂直に磁石を通過させると電流が流れます。

　ただし、さっきのように一本の針金を横に張ってそこで、針金に対して垂直に磁石を通過させても、電気も極（ごく）々（ごく）僅かしか流れないので、普通はエナメル線をグルグル巻きにした物の中心で磁石を動かします。そうすると、一回出し入れするだけで、結構な長さのエナメル線に対して磁石を動かすことになりますからある程度まとまった電気が流れることになります。

　こんな具合に、電線に電気を流すと電線に対して垂直方向に磁気が発生し、電線のすぐ近くを磁気が通過すると磁気に対して垂直に電気が発生する。あ、さっき「場」という言葉が出てきましたね。ここで使わない手は無いですね。

　電場が変化すると電場に対して垂直に磁場が発生して、磁場が変化すると磁場に対して垂直に電場が発生する。こんなふうに次々と電場と磁場が発生し、電場と磁場がある意味絡み合って電磁波となって空間を伝わっていく、という風に考えられています。これが電磁波と呼ばれる理由です。

　多分ですが、私がさっき言った「電気の波と磁気の波が合わさった波が電磁波」というような考え方ではないんだろうなと思います。あくまでも、電場と磁場の絡み合いで生まれたのが電磁波である、と考えられています。

　さて、電磁波にはどのような種類があるのか見てみましょう。波長の短い順、つまりエネルギーの大きい順ですが、この順番で並べてみます。

　ガンマ線　エックス線　紫外線　可視光線　赤外線　電波

ってなっています。このガンマ線とエックス線。エネルギーが大きいだけあって何かしら体に影響がありそうですよね。名前もなんか強そうだし。

　それから、この中で一番波長の長い「電波」ですが、もう少し細かく分けられています。やはり波長の短い順に並べます。

　マイクロ波　超短波　短波　中波　長波　超長波

となってます。

　え？マイクロ波って電波なん？…まあいいや。

　マイクロ波って電子レンジに使われていますが、赤外線よりも波長が長いのは意外です。これだと、紫外線とか赤外線でも電子レンジいけるんじゃね？って思いますよね。…え？思いませんか？

　まあ、それはそれとして、電波です。電波ってラジオとかテレビのイメージが強いので電磁波とは別物なんじゃないかって思っちゃいますけど、やっぱり電磁波の一種なんですね。光と電波が同じ仲間か。 ウ～ム、なんとなく受け入れ難いな。

　それと、電波の中に短波ってあります。結構遠くのラジオ放送が聞こえるやつ。ただ、電磁波全体で見ると、どちらかと言うと長波の方です…「短波」って名前なのに。短波よりガンマ線とかエックス線の方が波長は断然短いわけですから、ここら辺りで電磁波の名称の見直しなんつうのも必要かも知れませんねぇ。

　あ、それとご存知だとは思いますが付け加えておきます。ガンマ線とエックス線は放射線の一種です。嫌いな人が多い放射線と、暮らしを豊かにしてくれる光や電波が同じ電磁波だというのを聞くと、なんだか複雑な気持ちになりますね。