Tea Time -研究者Tのつぶやき-

自分の専門分野(宇宙天気、オーロラ)のことや子育てのこと、趣味のことなど、思いつくままに書いてみようと思います。

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「携帯電話をアルミホイルで包むと電波が届かなくなる」のは本当に静電遮蔽のせい?

 本ブログを書くのも、かなり久しぶりです。最近はすっかりtwitterやFacebookにシフトしていましたので。。
 今回、ふとしたきっかけで、表題の疑問が生じたので、自分なりに考えを整理し、簡単な実験を行ってみたので、まとめてみました。おかしな点やわかりにくい点がありましたら、ご指摘頂けると嬉しいです。

「携帯電話をアルミホイルで包むと電波が届かなくなる」のは本当に静電遮蔽のせい?

1. はじめに
 導電性の物質(金属等)で覆われた中空の空間には、外部の「静電場」の影響が及ばない。これを「静電遮蔽」という。この実例として、「携帯電話をアルミホイルで包むと電波が届かなくなる」を紹介しているものをインターネット上で結構見かける機会があった。映画「真夏の方程式」で湯川博士が示した通り、アルミホイルで包まれた携帯電話に電波が届かなくなるのは確かだ。
 だが、携帯電話の電波は静電場ではなく変動電場なので、「静電遮蔽」の事例としてはこれは不適切なのだ。ここでは、「携帯電話をアルミホイルで包むと電波が届かなくなる」のは「静電遮蔽」ではなく、「表皮効果」によるものであることを示す。

2. 「静電遮蔽」とは?
 静電場において、導体(アルミなど、電流が良く流れる物質)内部の電場はゼロとなる。導体内部は電荷が自由に動けるので、外部から電場が与えられると、導体内部の電場がゼロとなるように導体内の+と-の電荷が移動する。つまり、導体内の電場を打ち消す電場が作り出されるのだ。その結果、導体内部は電場がゼロに保たれる。導体で中空の空間を作った場合には、その内部の空間の電場はゼロとなる。これが静電遮蔽である。
 この考えの前提となっているのは電場が時間変化しないということである。電場が時間変化する場合(変動電場)は、それと共に導体の電荷分布が時間変化するので、その影響を考慮する必要が出てくる。

3. 静電場と変動電場(電磁波)の違い-「表皮効果」-
 時間変化する電場(変動電場)は導体の電荷を動かす。電荷の動きは電流である。電流は磁場を誘導する。この誘導磁場は、電流の流れを妨げる働きをするため、導体に入り込んだ変動電場(電磁波)は導体内を進むにつれて減衰する。導体内に入射した電磁波が1/e(約0.37倍)に減衰する厚さを「表皮厚さ」と呼び、電波が導体の表面近傍にのみ入り込む効果を「表皮効果」と言う。(なお、「表皮効果」は交流電流が導線の中央はほとんど流れず、表面付近に流れる効果としても知られている)
 詳しい説明は省略するが、「表皮厚さ」は、導体の電気伝導度や、電波の周波数によって異なる。「表皮厚さ」は周波数の高い電波ほど小さくなり、周波数の低い電波ほど大きくなる。つまり、高い周波数の電波ほど、薄い導体で大きく減衰される(遮蔽される)。一方、低い周波数の究極が「静電場」であり、表皮厚さは無限大となる(減衰を受けない)。
アルミの電気伝導度を3.5×107[S/m](温度摂氏20度)とした場合、「表皮厚さ」の周波数依存性は以下の通りである。

表1 アルミの表皮厚さの周波数依存性

 周波数 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz 1GHz
 表皮厚さ[μm] 270 85 27 8.5 2.7

 なお、表皮効果の場合、導体内で電波は減衰するが完全にゼロになるわけではない。表皮厚さも1/eに減衰する距離をスケールの目安として用いているだけなので、この距離で電波が完全に遮断されるのでは無い点に注意が必要である。

4. 「表皮効果」の実験-周波数による応答の違い-
 前述したように、「表皮効果」は周波数に依存する。アルミホイルの厚さは12μmなので、表1から考えると、アルミホイルの厚さと「表皮厚さ」が同じ程度となるのは、周波数が数十MHz程度のところである。そこで、FM放送(超短波放送:76MHz~90MHz)とAM放送(中波放送:526.5kHz~1602kHz)が、それぞれアルミホイルによって遮蔽されるかどうかを実験により試してみた。
・FM放送のアルミホイルによる遮蔽実験


・AM放送のアルミホイルによる遮蔽実験


 結果は次のようにまとめることができる。
・FM放送(超短波放送:76MHz~90MHz):音声は全く聞こえなくなり(ノイズのみ)遮蔽されている。
・AM放送(中波放送:526.5kHz~1602kHz):音量は小さくなるものの遮蔽されない。

 この結果は、「表皮効果」で考えると理解できる。AM放送は周波数が低いために、電波は減衰を受けるもののアルミホイルの厚さでは十分に遮蔽できない。FM放送はアルミホイルの厚さで十分な減衰を受け、ラジオが電波を受信できなくなった。もちろん、電波を受信する場所や選択した放送局によって、源となる電波の強度は異なるし、受信機(ラジオ)の感度も異なるので、条件が違う場合に同じ実験結果が得られるとは限らない。但し、重要なことは、「AM放送はアルミホイルで完全には遮蔽されなかった。」という事実である。これは、「静電遮蔽」からは全く説明することが出来ない。
 なお、携帯電話の周波数はFM放送よりも更に高い700MHz~2.5GHzなので、表皮厚さは更に薄くなる。よって、アルミホイルの厚みで十分遮蔽できることは「表皮効果」で説明可能である。

5. まとめ
 考察及び実験結果に基づく本論のまとめは以下の通り。
・AM放送などの周波数の低い電波は、アルミホイルでは完全には遮蔽されない。
・これは「静電遮蔽」ではなく、「表皮効果」による電波の減衰で説明できる。
・「静電遮蔽」の事例として「携帯電話をアルミホイルで包むと電波が届かなくなる」は適切ではない。

 金属(アルミホイル)によって覆われた空間に携帯電話の「電波」が届かなくなるのは、「静電遮蔽」ではなく、「表皮効果」による電波の減衰であると考えられる。本考察と整合する実験結果も得られていることから、“携帯電話をアルミホイルで包むと電波が届かなくなる”効果は、「静電遮蔽」ではなく、「表皮効果」による電波の減衰として説明するのが適切であろう。実際、物理の教科書やいくつかのWebページにおいては、同事例を「静電遮蔽」ではなく、「電波遮蔽(電磁シールド)」として区別して説明している。その一方で、同効果を「静電遮蔽」の事例や実験として説明しているコンテンツがネット上で散見されるため、本考察を提示した次第である。
 ラジオをアルミホイルで覆った時に、FM放送とAM放送で遮蔽される/されないという違いが見られるのは、放送波の周波数帯の違いや「表皮効果」の周波数依存性などを説明するのに適しているかもしれない。

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科学薀蓄? | コメント:0 | トラックバック:0 |

45歳になりました。

 つーさん、本日をもちまして、ついに45歳になりました。もう四捨五入すると50歳って、どんだけ?という感じです。気持ちとしてはまだまだ若いつもりでいるのですが、仕事上の立場は中間管理職的で各種雑用に追われる日々ということもあり、自らの研究活動でのパフォーマンスの低下は正直否めません。(部下には頑張ってもらってるけど、自分がやらないと面白くない。。)加えて、仕事のいくつかの場面で、最近何かと自分が若くないんだということを思い知らされることが多々あって、ちょっと落ち込んだり、悩んだりしていました。年齢は今後も増えていく一方なので、状況は好転しようがないのですが、仕事上の時間配分は少しでも工夫して、若い連中に負けないように頑張りたいと思っています。一応、9月から役割分担が変更になり、状況は多少マシにはなっているので。。
 このブログも長いことご無沙汰してました。最後に書いたのが2年前のSuperDARN Workshopですからね。。これからもどのくらいの頻度で書けるかわからないけど、ぼちぼち続けていこうかなと思います。FaceBookなども始めてしまったので、使い分けが難しいですけどね。
日記 | コメント:0 | トラックバック:0 |

南アフリカHermanusに出張

 南アフリカのHermanusに行ってきました。HFレーダーという観測装置で極域や中緯度の電離圏を観測している研究者の集まりに参加するのが目的です。以前、ブログに書いた通り、私の所属する研究グループでも、アラスカのKingSalmonにHFレーダーを持っていて、昨年秋からこの装置の責任者になったので、この会議に参加しました。
 土曜日の朝に自宅を出て、到着したのが日曜日の夕方。。。飛行機の所要時間は1日以上!使ったのはトルコ航空のイスタンブール経由でしたが、他の航空会社を使ったとしても、時間はそれほど変わりません。所要時間が長いと、飛行機に乗っているだけで、えらく疲れます。ここしばらく、寝不足が続いていたせいか、機内では、ほとんど寝ていました。

 トルコ航空は機内食がおいしかったです。そうすると、食事を食べすぎてしまうのがNGです。体をあまり動かさないで、食事ばっかりしていると、確実にお腹の肉が増えていく。。。飛行機以外でも、南アフリカでの食事は概ね美味しく、ついつい食べ過ぎてしまいます。。あと、ワインの産地のようで、Ice Breakerやポスターセッション、ディナーなどで、ワインがふるまわれました。結構おいしかったです。ちなみに、最後の夜に行われた会議のディナーはワイナリーでした。。
 
 宿泊したのは、Misty Wavesというホテル。思いっきりリゾート地的なホテルです(笑)。なんせ、部屋でインターネットが使えない。。。ネットが使えるのはロビーだけ。。そのため、朝と夜は皆でロビーに集まって、パソコンで仕事をするというスタイル。。会場でもネットは使えたのですが、httpだけなので、sshで直接ログインして作業したい場合には、ホテルのネットを使うしかありません。ホテルのネットは、100R払ってパスワードを教えてもらい、期間中ずっと使えるというしくみでしたが、一人一人にこっそりパスワードを教えるのですが、極めて簡単なもので、実は結局のところ皆同じパスワード。。さすが南アフリカ。。大らかです。ちなみに部屋はこんな感じです。
Hermanus 1

窓からの景色はこちら。
Hermanus 2

どっちかというと、休暇で立ち寄りたい感じの場所です。まあ、所要時間考えると、そうおいそれと立ち寄れるようなところではありませんが。。

 つーさんにとって、Hermanusといえば、地磁気の観測所がある場所という認識ですが、一般には南アフリカのリビエラと言われている場所だそうで、要は海辺のリゾート地。私の眼には昔住んでいた平磯に雰囲気が似ているように映りました。海は波が高めで、岩場の海辺に波しぶきがあがっているあたりは、まさにそっくり(笑)。
Hermanus 3

学童仲間のIさんがサーフィンをしに行きたいと言っているのも、うなづける気がします。一応、南半球ですから、季節としては、冬なはずなのですが、日中はとても温かく、半袖でも申し分ないくらい。でも、油断すると夜は寒かったりします。

 会議は、とにかくHFレーダーという装置を使って研究をしている人の集まりで、割と同じメンバーが継続的に集まっている家族的な雰囲気の強いものです。皆、気さくな連中ばかりで、研究を大いにenjoyしているという感じです。分野は磁気圏から超高層大気、それからレーダのハードウェアや処理システム、データの解釈まで幅広く、HFレーダに関してまだまだ初心者の私には大変勉強になるものでした。今回は装置を使った観測の計画を話したのみで、具体的な結果はまだ出ていないのですが、次回はポスドクのSさんにも頑張ってもらって、結果を報告したいですね。。
 今回もう一つの収穫はアラスカ大のBさんや極地研のSさんと話をして、レーダのハードウェアのことが大分分かってきたという点です。これまでは、まずは装置を再立ち上げして、観測を再開させるところまでが関の山だったのですが、ようやっと今後どのようにしていくかについての道筋が見えてきたような気がします。

会議の中日の午後にエクスカーションがありました。ボートに乗ってWhele Watchingとのことだったので、船に弱いつーさんは泣く泣く辞退。。。仕方が無いので、一人で海辺を散歩。。海辺にそって、ずっと小道があったので、そこを歩きました。道沿いから見える海の景色はこんな感じです。
Hermanus 4

また、動物や鳥にも遭遇しました。
Hermanus 5Hermanus 6

あと、海辺に降りて、岩についている小さな貝をとってみたのですが、日本の貝と違って、人間に捕まえられてもふたを閉じません。おそらく、食べられた経験が無いのでしょう。平磯の海岸でも見かけるような貝で、このあたりに日本人が済んだら、きっと捕まえて食べそうな感じの貝なんですけどね。

時間があったら、この山にも登ってみようかな?と思ったのですが、そこまでの余裕は今回は無く。。。
Hermanus 7

また、近くの店で、絵葉書を探そうと思ったのですが、全然売ってない。。観光地だと思うのですが、あまり日本でいうところのお土産っぽいものを売っている店が全然ありません。まあ、そういう方がおちつきます。

 行く前に、南アフリカは治安が悪いから気をつけて、と言われたのですが、このあたりではあからさまに危険を感じるところは無かったです。でも、よくよく見てみると、通りや散歩道の要所要所に警察か、ガードマンのような人がいたので、やはり日本とは違うなと感じさせられました。

 南アフリカは現在、アフリカの中での宇宙天気研究のハブを目指して、頑張っているところで、黒人の学生・研究者の発表があったのが印象的でしたが、空港の近くにはスラム街的なエリアがあったり、交差点で物を売っている人がいたりなどで、発展の一方でまだいろいろと問題を抱えているのかなということもちょっと考えさせられました。
Hermanus 8

現在南アフリカを離れ、イスタンブール空港で成田空港行き飛行機のトランジット待ちです。あと5時間くらいで飛行機に乗ります。
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意識と無意識

 つーさんは車で通勤しています。自宅から職場までの所用時間が一時間くらいなのですが、ルートを上手に選ばないと、渋滞などで時間がかかってしまいます。そのため、いろいろと工夫してきました。地図を見て、新しいルートを試してみたり、道路や橋の拡幅工事によって道路事情が変わると、ルートを変えてみたり。。。今では、途中の経路が事故などによって突発的に渋滞となった場合のう回路などもマスターし、ルートが大分最適化されてきたと思っています。

 そう言いつつも、実はこの春に、通勤ルートの一部を変更しました。自宅から職場に行くには、JR中央線を横切らなくてはなりません。ちょっと前までは、職場までの最短ルートは広い街道なのですが、開かずの踏切がある場所の近くだったので、通勤時間帯は結構な割合で渋滞していました。そのため、これまでは開かずの踏切を回避するようにルートを設定して通勤していたのです。ところが最近、中央線の高架化の工事が完了し、開かずの踏切が解消されたことに気が付いて、試しに最短ルートの街道を使ってみました。すると、車が非常にスムースに流れるようになっていたので、現在はこのルートを使うようにしています。

 ただ、切り替えた最初の頃は、結構な割合で、昔のルートを走っていることがありました。単に変更したのを忘れていると言われてしまえば、それまでなのですが、どうも、通勤路の運転は、無意識のうちに行っている場合があるようなのです。例によって(?)運転しながらも何か考え事をしていたりすることがあるのですが、考えに夢中になっていて、ふと気がつくと、いつの間にか大分先まで進んでいることがあって、途中の経路の状態がどうだったかが思い出せないことがあります。人間は慣れている行動だと、意識しないでもできるようになるようです。その反面、変更にはすぐに対応してくれないので、現在は、まだ新たなルートに関しては、「意識」してその道を走るようにしてやらないと、「無意識」のうちに昔のルートで車を走らせてしまいそうです。
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帰国します

 もうすぐ、デンバー空港からダラス行きの飛行機に搭乗です。

 あっという間の1週間でした。いろいろと情報交換もでき、有意義だったと思います。
Space Weather Workshopという会議だったのですが、ブラジル、韓国、中国がこの分野
に力を入れ出しています。韓国や中国は、複数の組織がそれぞれに国から予算をもらって、
同じようなことを競争しながら進めていて、どこぞの国のように、複数の機関が同じ研究
をすることはまかりならん!という話とは段違いです。アメリカも、だいぶ状況が好転して
いるようで、勢いが感じられます。そういった意味で、日本の宇宙天気予報の動向にも注目
が集まっていると言えます。
 一つ感じたのは、やはり教育・広報活動の重要性です。今回の発表でも、様々な組織がいろんな
教育・広報用ムービーを見せていました。我々も、「週刊宇宙天気ニュース」を持ちこんで、
私の発表の際にデモをしたのですが、非常に好評でした。アニメに関しては、まだまだ日本が
得意分野と言えそうです。発表の後に、2-3人からどのWebページから見ることが出来るの?
と尋ねられました。
 ボウルダーは本当に毎年のように訪れている場所で、なじみ深いのですが、今年は本当に雪が
良く降りました。夜になると雪が降り、日中は暑かったり、寒かったりという感じで、寒暖
の差が激しかったです。まあ、なんとか風邪などもひかずに、帰国することができそうです。


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