電磁波の周波数（波長）と信号カバレッジの関係について疑問を持つ人は多い。電磁波の周波数が高いほど透過力が弱くなり、カバレッジが悪くなると考える人もいる。そこで、X線や γ 可視光線は周波数が高いので、医療用写真撮影や金属機器の欠陥検査に使われているのではないでしょうか？周波数が高いほど透過力が弱くなるという疑問も寄せられています。なぜ可視光線の周波数はガラスを透過できるほど高いのでしょうか？周波数と透過力にはどのような関係があるのでしょうか？本日の記事では、この点について詳しく解説します。

電磁波とは何ですか？

電磁波は単なる光波や電波ではなく、ねじれた正弦波のパターンも電磁波だと思うかもしれません。厳密に言えば、電磁波とは波として伝播する電磁場です。互いに直交し、同じ方向に向いた電場と磁場、そして空間を伝播する振動する粒子波も電磁波です。

電磁波にはどんな種類がありますか？

電磁波の伝播は媒質に依存せず、真空中でも伝播します。太陽光は可視光線の一種である電磁波です。電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、X線はすべて電磁波です。これらの主な違いは周波数です。

水波や音波は電磁波ではなく、機械波であることを覚えておいてください。物理的な媒体を必要とします。ある点が上下に動くことで次の点が動き、波が形成されます。

だから、 ' 電磁波が空間をねじれる正弦曲線だと想像してみてください！電磁波には様々な種類と用途があります。話が逸れるのを避けるため、まずはモバイル通信における電磁波伝搬についてのみ議論します。つまり、「アンテナから送信された電磁信号は、どのようにしてより遠くまで伝播するのか？」という点に焦点を当てます。

電磁波はどのように伝播するのでしょうか?

電磁波の伝播には、直接放射、反射、回折（ディフラクション）というメカニズムがあります。A地点からB地点まで、障害物がなければ直進します。その間には空気しかありません。

現実の環境はそれほど単純ではなく、周囲には必ず何らかの障害物があり、反射も生じます。しかし、それらの間にはやはり空気が重要な役割を果たします。

信号が重なり合い、高速フェージング（レイリーフェージング）が発生します。

障害物がある場合、信号をどのように通過させるべきかという問題が発生します。

反射には環境物体を利用するほか、回折（ディフラクション）と直接透過の2つの選択肢しかありません！回折に関しては、物理学の知識が先生に返っていない場合は、「小孔イメージング」を思い出すといいでしょう。

回折とは、波（光波など）が障害物に遭遇すると、元の直線から逸れて伝播する物理現象を指します。つまり、電磁波には障害物を「迂回する」性質があります。波長が長いほど（障害物の大きさよりも大きいほど）、揺らぎが顕著になり、回折が起こりやすくなります。ここで、透過についてもう一度考えてみましょう。透過はより厄介です。これには3つのプロセスが含まれます。

最初のステップは障害物の表面です。

空気から障害物（つまり導体）への電磁波は、外部の電場と磁場を利用して媒体に電場と磁場を誘導する必要があります。古典的な電磁波理論に基づくと、さまざまな媒体における電磁波の伝播速度は、媒体（障害物）の誘電特性と磁気特性に依存します。媒体が理想的な導体であり、導電性が特に優れている場合、理想的な導体内の電場は常に0であり、電場は生成されません。したがって、障害物が理想的な導体である場合、すべての電磁波は反射されます。非理想的な導体（ほとんどの媒体）の場合、電磁波は2つの部分に分かれ、表面で屈折および反射されます。2つの部分の比率は波の速度と入射角に関連し、波の速度は周波数に関連します。したがって、媒体の表面を通過するときに、電磁波信号は部分的に減衰します。

2 番目のステップでは、電磁波が屈折して最終的に媒体の内部に入ります。

媒質は均質媒質と不均質媒質に分けられます。まず均質媒質について説明します。ほとんどの誘電体は理想的な導体や良導体ではなく、絶縁体または抵抗率の異なる導体です。絶縁体中の電磁波の伝播は比較的滑らかです。ガラスのように、非常に典型的な絶縁体です。光がガラス中を伝播する際、吸収率が非常に低いため、ガラスは非常に透明に見えます。食塩の結晶、氷砂糖の結晶、純水から形成された氷など、多くの結晶はガラスに似ています。最も典型的なのは光ファイバーです。光ファイバーでは光は数十キロメートルも伝わります。

光ファイバーのコア電磁波は、異なる抵抗率を持つ導体中を伝播しますが、これはマクスウェル方程式を使って計算できます。私は勝ちました ' 計算方法は説明できません。電磁波は電場と磁場の伝播であり、ピークと谷は2つの極値である、と簡単に理解できます。 電界の。

電磁波の周波数が高く、波長が短く、山と谷が接近しているほど、媒体の特定の点の近くの電界の差が大きくなり、対応する電流が大きくなるため、媒体で失われるエネルギーが大きくなります。

したがって、同じ前提の下で、抵抗のある導体では、電磁波の周波数が高いほど、減衰が速くなります。典型的な例は深海の潜水艦です。潜水艦は長波または超長波を使用して陸上基地と通信します。無線信号の周波数が非常に低いため、水中での減衰は小さくなります。不均質媒体の場合、この問題はさらに複雑になります。不均一媒体中の電磁波の伝播は、異なる媒体間での屈折、反射、回折の繰り返しに相当します。伝播経路はより複雑で、最終的なショットの方向も非常に複雑です。経路が長すぎると、減衰（損失）も大きくなります。典型的な例は壁です。鉄筋コンクリートの壁であろうとレンガの壁であろうと、不均質媒体です。電磁波の伝播中に、さまざまな程度の減衰があります。

3 番目のステップは、媒体から空気への、別の屈折と反射の波です。

まとめると、電磁波の周波数が高くなるほど、障害物を貫通する能力が弱くなるのは誰もが理解できるはずです。現在、家庭で使用しているWi-Fiには、2.4GHz帯と5GHz帯の両方があります。使用したことがある方なら、5GHz信号の壁貫通能力は2.4GHz信号よりも大幅に弱いことをご存知でしょう。例えば、ミリ波も同様です。同じ条件下では、障害物を貫通するミリ波信号の減衰は、Sub-6GHz信号よりも明らかに大きいです。不均質媒体の信号減衰の程度は、媒体の粒度にも関係していることは言うまでもありません。粒子が破砕されて粒子が非常に小さい場合、低周波電磁波の場合、波長が粒子サイズよりもはるかに大きいため、全体的な電磁波の減衰は小さくなります。

では、なぜX線などの高エネルギー放射線は、このように高い周波数と強い透過力を持っているのでしょうか? 理由は複雑です。簡単に言えば、これらの極めて高い周波数の電磁波に対しては、古典電気力学を完全には適用できません。言い換えれば、X線は高い周波数に加えて、もう一つの特性、つまり非常に強力であるという特性を持っています。X線を媒質に照射すると、媒質の原子によって「遮断」されるのはごく一部で、大部分は原子間の隙間を「通過」するため、強い透過力を示します。 では、なぜ鉛ブロックのような重金属はX線を効果的に遮断できるのでしょうか？ 鉛ブロックは原子番号が高く、密度が高く、原子構造がより密接しているため、「貫通」するのは容易ではありません。