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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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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地磁気観測所と常磐線

 最近、ブログしている暇がとんとありません。まあ、ネタには事欠かないんですが、何せ文章書くのが遅い人なので、短文でもえらく時間がかかってしまい、まとまった時間がとれないと、ついついお休みしてしまうという感じになっています。子供のこととかは、あーるがブログに書きまくっているので、かぶるのもどうかなーと思うと、また書かなくなるという感じで。。

 先日、茨城県石岡市柿岡にある地磁気観測所に出張してきました。宇宙天気予報にとって、地磁気は、天気予報における雨や風みたいなもので、基本的なデータの一つです。10年近く前に訪問したことがあったのですが、それから長いことご無沙汰してました。意外と知られていないことですが、地磁気の観測は気象庁で行われています。いわゆる気象や地震などの観測に比べるとマイナーで、関わっている職員の数も決して多くはないのですが、世界的にもトップレベルの観測を行っており、データが国際的にも利用されている上に、外国からも見学や技術研修に来られる方が多いです。地磁気観測所へ行くには、常磐線で石岡まで行き、そこからバスやタクシーを使って移動します。

 上野から常磐線に乗って、取手を過ぎると、藤代までの間で電車の電源が一度切れます。特急フレッシュひたちの場合、車内の電気が消えないので気が付きにくいのですが、耳を澄ませているとエアコンやモーターの音が聞こえなくなるので、電気が切れていることに気が付きます。今回の出張でも確認しました(笑)。(ちなみに、昔のスーパーひたちの車両だと、非常灯のみで車内の明かりが消えるので、結構目立ってました。。最近はどうかわかりませんが。。)

 これは何かというと、取手と藤代の間で、直流電源と交流電源が切り替わっているのです。上野から取手までは直流電源区間で、藤代から先が交流電源区間となっています。他にも、つくばエクスプレスが秋葉原-守谷間が直流区間、守谷から先が交流区間になっていて、水戸線も基本は交流電化です。というわけで、茨城県はでは直流電源を使わずに、交流電源を使わない配慮がなされています。このことに、地磁気観測所が関わっています。

 電流が流れると磁場が発生します。この磁場が地磁気の観測に影響を与えてしまうのです。交流の場合は、その電源の周波数の信号を除去することで、観測への影響を取り除くことができるのですが、直流の場合だと、それが難しいため、地磁気観測所周辺の鉄道については、直流電源を使わない配慮がなされています。地磁気の観測なんて、普通の人にとってはほとんどなじみが無い世界と思われがちですが、こんなところで日常生活とも関係していたりします。
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46年ぶりの皆既日食?

 22日の皆既日食、大騒ぎでしたねー。「日本の陸地」で46年ぶりに見られる皆既日食&国際天文年ということもあってか、マスコミが大いに盛り上げていたように思います。でも、知らない人が聞くと、皆既日食という現象そのものがとてつもなく珍しい現象のような表現なので、何だかなーという感じです。最近のマスコミの煽り方だと、嘘ではないにせよ、誤解や思い込みを増長してしまいそうです。
 皆既に限らなければ、日食は年に何回かありますし、皆既日食や金環日食も毎年のように起こっています。日本で皆既日食が見られたのも、「陸地」では46年ぶりかもしれませんが、1988年3月18日には小笠原沖で皆既日食があり、チャーターフェリーで見に行った人が大勢いました(でも、これも21年も前の話か。。。)。お祭り騒ぎも良いですが、客観的に事実関係や情報を伝えるという側面を失ってほしくないとおもうつーさんでした。

 つーさんの職場のあたりは、午前中はずっとどん曇りでした。でも、ちゃんと日食は見ましたよ!しかもライブで皆既日食を。通信ネットワークを研究しているグループがこの皆既日食を題材に使って、インターネット衛星と高速実験ネットワークによる硫黄島と奄美大島からのインターネットライブ配信の実験をやっていて、それの受信デモの画面で見せてもらいました。綺麗でしたよ。デジカメで中継しているところの写真も撮ったのですが、日食のすぐわきに髪の毛の薄い某部長の頭が写ってしまっているので、写真はアップしません(笑)。悪しからず。。

 ちなみに、次に日本で見られる皆既日食は2035年9月2日。富山から茨城を結ぶ一帯で見られます。この皆既日食では、昔私が勤めていたひたちなかの太陽観測施設の真上を皆既帯が通っています。26年後の話なので、さすがのつーさんもとっくに引退した後(!)ですが、OBが集結して旧交を温めながら皆既日食の観測をするっていうのも、面白そうです。もっとも、その頃まで太陽観測施設があるかどうかは、定かではありませんが。。。


追伸:明日と明後日、私のいる研究所の一般公開です。つーさんは土曜日から学童のキャンプなので、金曜日だけのお手伝いですが、自分の研究グループの展示ブースで説明してたりしますので、興味のある方はぜひどうぞ(笑)。
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頭の中の考え方

 つーさんは、何かを考える時、頭の中で言葉をしゃべりながら考えています。なので、人の話を聞きながら同時に考えることはできません。人の話を聞いていたら、考えられなくなってしまうし、考え事をしている時は人の話は聞こえません。つーさんはしょっちゅう考え事をしているので、あーるの話をきちんと聞いていないことが多く、よく怒られます(笑)。

 昔、物理学者ファインマンのエッセイ集(「困ります、ファインマンさん」かな?)に、声を出さずに数を数える実験の話があって、ファインマンは、頭の中で声を出して数を数えるので、本を読みながら数を数えることができるけど、しゃべりながら数を数えることはできないのに対し、彼の友人は頭の中で数が書いてあるテープが回っているのを思い浮かべて数を数えるので、ファインマンとは反対に、本を読みながら数を数えることはできないけれど、しゃべりながら数を数えることができるという話がありました。
 なので、後者のタイプの考え方ができる人なら、人の話を聞きながら何かを考えることができるのかもしれないけど、前者の場合はちょっと難しいのです。

 今日、あーるに聞いてみたら、彼女は声を出さずに考えたり、数を数えたりするタイプのようです。なので、一緒にしゃべっている時でも、頭の中では別なことを考えていて、時々、会話の途中でいきなり別なことを言い出したりして、面食らうことがあります。つーさんは、しゃべっていること=考えていること、なので、永らく理解不能でしたが、頭の中の考え方が違うというのを知って、納得しました。。ちなみに、両方使い分けることができる人っているんでしょうか?使い分けができると、いろんな面でかなり便利な感じがしますね。。
 あと、頭の中で言葉をしゃべりながら考えるタイプの人の場合、バイリンガルの人とか、何語で頭の中で考え事をするのか、興味があります。バイリンガルの人と会うたびに、一度聞いて見ようと思うのですが、ずっと聞きそびれてしまっているのでした。。
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