| TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第24期無線工学第1章空中線と電波伝搬 （1）電気って何？ | |
| [無線工学] | |
| 2019年3月11日 9時30分の記事 | |
第1章空中線と電波伝搬 （1）電気って何？ 今日は。今日から 2019年8月の試験に向けて「無線工 学」と「電波法規」のお話を致しますTOITAです。 半年間と言う短い間ですが、宜しくお願い致します。 当講座では、春休み中に 折に触れてお話してまいりま した通り、試験で 一番出題される項目からお話をして いきます。 「無線工学」の場合は、「空中線と電波伝搬」と「航 法支援施設」と「半導体・電子菅・電子回路」で 50 ％の出題が予想されます。 3つの項目が理解出来れば、試験で50％の得点が得ら れると言う訳です。 それでは、早速、一番出題数の多い「空中線と電波伝 搬」のお話をいたします。 今回は、無償で全文を公開しています。 [続きを読む]をクリックしてお読み下さい。 当塾は、昨年の10月でまる11年になりました。 ここまで続けてこられま したのは、皆様方のお陰と感謝して います。 今後も、低価格で分かりやすい合格の為の講座を続けてま いる所存ですので、宜しくお願いいたします。 「時は、金なり」と言いますが、50円を有効に使えていますか ？。 本文には、見本部分の数倍の記事が書いてあります。 2月期の試験は、航空大学校の入学や就職にと大変重要 な試験になります。 独学が難しい事は、特集記事でお話した通りです。 試験迄は、思った程、時間がありません。 時間を無駄にして後悔されない様、本文をお読み下さい。 [お知らせ]有料記事をお読み頂く為には、コンビニで 電子 マネーをお買い求めの上、 下記の URLをクリックしてポイ ントを取得する手続きをお済ませください。 ポイントは、「くる天」様の有料ならではの 他のブログをお 読みになる為にもお使い頂けます。 なお、電子マネー「C-Check」は、2000円 から購入出来ま す。 http://kuruten.jp/blog/help041.html
第1章空中線と電波伝搬 （1）電気って何？ 今日は。今日から 2019年8月の試験に向けて「無線工 学」と「電波法規」のお話を致しますTOITAです。 半年間と言う短い間ですが、宜しくお願い致します。 当講座では、春休み中に 折に触れてお話してまいりま した通り、試験で 一番出題される項目からお話をして いきます。 「無線工学」の場合は、「空中線と電波伝搬」と「航 法支援施設」と「半導体・電子菅・電子回路」で 50 ％の出題が予想されます。 3つの項目が理解出来れば、試験で50％の得点が得ら れると言う訳です。 それでは、早速、一番出題数の多い「空中線と電波伝 搬」のお話をいたします。 空中線とは、アンテナの事です。「アンテナ」と言う 言葉は、良く耳にされますし、何となく分かる気がさ れていると思います。 「アンテナ」とは、昆虫の触角を意味しますので、会 話の中でも何かを感じ取る物としての意味で使われて いると思います。 今迄は、その程度の知識で良かったのですが、「航空 無線通信士」の資格を取る為には、その程度の知識で は、免許を貰えない事は、容易に想像がつきます。 皆様は、「アンテナは、アンテナだから電波を捉えた り発射したりする。」と言う答え方をしていませんか ？ この答え方では、アンテナそのものが説明されていま せん。 その他の例を挙げますと「車は、車だから走る。」等 その物事態を認めてしまっていて、その物事態を説明 していないと言う事は、ありませんか？ この様な事を言いますと「だから理系の人間は、理屈 ぽくて嫌いだ。」と言われそうですが、無線は、科学 ですので、情緒では、扱えません。医学については、 お医者さんが言う事を理屈ぽいとは、言われないと思 います。科学もそう言う目で見てください。 さて、皆様にとって 異邦人の 理系の人間は、電気で 言う「アンテナ」 を 「どの様に捉えるか？」を 考え てみましょう。 理系の人間は、必ず、根本的な部分に目を向けます。 それぞれの事柄の理由は、これからお話を致します。 理由が分かってきますと次から次へと新たな疑問が生 まれると言う 好循環を生み楽しくなってきます。 人間には、元々、知識欲があるのです。 それでは、最初の「なぜ？」 「アンテナって何？」 「何かを感じる」の「何か？」とは、何でしょう？ その何かは、「電波」です。 アンテナは、電波を放出したり、電波を捉えたりしま す。 それでは、「電波って何？」 と質問しますと、「観た事ないし分からない」とか、 「携帯でピッピッピってやるやつでしょう？」等と言 う答えが 帰って来そうですネ。 ここで、「電波」とは、こんなものですとお話しをて ても良いのですがその前に知らなければならない事を 飛ばしてお話をしては、分からない参考書を読むのと 同じ事ですので、一番、元となる事からお話をします 。 「そもそも、電気って何？」と言う事から考えなけれ ば、なりません。 「電気って何？」と聞かれて「触るとビリビリっと来 るヤツでしょ」 とか 「家のコンセントへ来ているヤ ツでしょ」では、 これまた、無線の免許は 貰えませ ん。 ましてや「 スマフォに充電するヤツでしょう！ ？」と答られたらアウトです。 この様に答える、航空無線通信士（パイロットや航空 管制官）は、いません。よって物事の根本を考える頭 に切替えないと合格は、出来ないと言う事になります 。 逆にいいますと、航空無線通信士は、答えを知ってい るのです。それも、元は、皆様と同じ文系の方々です 。安心して下さい。当講座を受講される皆様もきっと 半理系人間になり、航空無線通信士の免許を手にされ る日が来ます。  図-1 身のまわの全ての物質は、分子で出来ています。また 、その分子は、様々な原子の集まりで出来ています。 その原子は、上の図で示す様に真ん中の赤で示した原 子核とその周りを廻る緑と青で示す電子で出来ていま す。 電子は、原子核の周りをグルグル廻っています。 上の図を分かりやすく同じ平面上を廻る軌道として描 いた図が下の図です。  図-1’ 真ん中の赤は、原子核で「陽子」と「中性子」から出 来ています。 陽子は、”+”の電気の性質を示します。 ここで重要な事は、「電気の性質を示す。」と言う事 です。 「中性子」は、電気的に中性ですので電気の世界では 、考える必要が有りません。 原子核の周りを廻っている電子は、青い玉で示してい ます。 電子は、”―”の電気の性質を示します。 通常の原子の電子の数と原子核の中の陽子の数は、同 じです。 よって”+”の電気の量と”―” の電気の量が同じですの で原子を外部から観ますと電気の性質を示しません。 これを身近な例で考えみます。家族の中には、女性と 男性がいますので、その家族を外からみますと女性と か男性とみるより何々さん一家と呼ばれます。 女の子や男の子が女子高や男子校へ行きますと、女性 や男性として見られます。お父さんやお母さんも同じ 事です。 電気とは、原子から一部の電子が飛び出した状態を言 います。 飛び出した電子は、原子から離れてしまっていますの で陽子の影響を受けませんので”−”。電子が飛び出し た原子は、電子の数と陽子の数が違ってきますので電 子が不足した分”+” の電気の性質を示します。 原子から飛び出した電子は、単独で行動します。この 為、飛び出した電子は、自由電子と呼ばれます。 重要な言葉ですので覚えておいて下さい。 これが、電気の正体です。 通常、電子は、原子の中の飛び飛びの軌道を廻ってい ます。 原子核に近い軌道を廻る電子程、ネルギーが小さく原 子核からの束縛を受けています。 逆に原子核から遠い軌道を廻っている電子程エネルギ ーが大きく原子核からの束縛が小さくなります。 この事を子供の成長に例えてみます。原子核を親とし ますと力の弱い小さい子は、殆ど親とくっついて 1日 を過ごしていますが大きくなるに従って力も強くなり 親から離れて遠い所迄、遊びに行く様になるのに似て います。 大学生位になりますと親からかなり自由になりますが 、学費を貰ったりするので、多少の繋がりが残ります 。 やがて、親元を離れて一人暮らしをする様になります 。 この親元を離れて自由になった子供が自由電子ですネ 。 この自由電子が動く状態を電流と言います。  注意 電流とは、”電子が動く事”とは、電気を学ぶ 学校でも強調して言ってくれませんが学生は 普段の授業から感じ取っています。 図-2を例にしますと通常、電気の回路は、電池や豆電 球の様に部品が繋がっていて電子は、電池の”−” から 豆電球を通って電池の ”+”へ戻り、再び、電池の”−” から豆電球へと移動します。 ここで、疑問に思っった方がいらっしゃると思います が、皆様の知っている電流の向きと電子の移動方向が 逆です。そうです。電子の移動は、実在しますが、電 流とは、人間が「電子の移動」を勝手に電流と呼んで いるだけの事でその向きも、これ又、勝手に電子の移 動方向の逆として決めただけなのです。 さて、この時、電池と電球を繋ぐ導線が切れてしまい ますと電流が流れません。当たり前ですネ。 私達は、こう言う話を聞きますと電流は、電源（上の 図では、電池）と負荷（電力を消費するもの。上の図 では、豆電球。) を グルグル回るものだと思ってしま います。 ちなみに、電源と電気部品や電子部品を導線で繋いだ ものを回路と呼びます。 皆様は、きっと”電気回路”とか ”電子回路”と言う言葉 を耳にされた事があると思います。  図-3 図-3は、アンテンの原理をお話しをする時にお見せす る図です。 丸に波状のマークは、交流の電源のマークです。 交流とは、時間と共にその大きさや量が変化し、その 向も時間と共に変化します。その様子は、SINθ のグ ラフと同じです。 逆に時間に関係なく電流の方向とその量が変わらない ものを直流と言い、その代表格は、電池です。 皆様のご家庭のコンセントに来ている電気は、交流で す。 それでは、図-3をご覧下さい。(A)は、交流電源に太 い線で示しました導線とギザギザで示す抵抗が繋がれ ていますので、回路の中を電流が流れる事がお分かり になると思います。(B) と(C) は、電流分布を表して います。電流分布とは、場所による電流の量の変化の 多さを高さで表した細い線です。 一番低い所は、時間がどんなにたっても電流の量は、 ”0” です。つまり、電子の移動がない場所です。分布 の一番高い所は、電源の所で一番電流の変化が大きい 事を示します。つまり、電子の移動数が一番多い所で す。 変化とは、電流の”増減”と”流れる向き”です。 皆様、ここまでのお話で (A)は、理解できても、 (B) と (C)は、電子がグルグル回る所が途切れているとお 思いの事だと思います。 ここで、 電流と言いましたが、電流とは、 電子が移 動する事（少しでも動く事)で図-2の様に回路を グル グル廻らなくても電子が動けば電流です。( この考え 方を理解しませんと、アンテナを理解する事ができま せん。） （C) 図は、(A) 図の様に繋がっていませんので 電子 がグルグル周る事は、ありません。 しかし、電流は、右へ流れたり 左へと流れたりを繰 り返します。 その電流の量は、所により違い その多い・少ないを 示したのが細線で示しました電流分布です。 [電子が動くだけで電流と言われる訳] 神社へ続く参道の夜店に全ての参拝客が足を止めてい れば、人の流れは、有りませんので参拝客を電子とし ますと、電流は、”0”です。でも、電子は、あります。 参拝客と言う電子が各夜店で夜店の商品に目を奪われ て拘束されている状態です。各夜店の客は、一時的に それぞれの夜店に所属している状態です。馴染みの店 の常連客の様なものです。 これは、回路に電源が繋がれていない状態です。 もう一つ電子に例えられる参拝客の移動が無い状態が あります。それは、神社の端の行き止まりの所です。 行き止まりの近く迄行く人は、少なく、ましてやまさ に行き止まりの地点では、人の動きは、”0”です。 参道で移動する人は、その先に何か関心を示すものが あるから移動するのでしょう。回路では、関心を示す ものに相当するのが電源です。 参道の所により動いている参拝客の数は、違ったりし ます。 先に言いましたが、行き止まりの所では、参拝客の流 れは、”0” ですし、参道と一 般道が接続する箇所では 参拝に来る人と帰る人がいますので、人の動きが一番 多くなります。 (B)と(C)では、アンテナと電源のつなぎ目がこれにあ たります。 (B)と(C)で電子の動きがあるのは、交流電源のせいで す。電源が”+”になれば、電子を引きつけます。 また、 電源が”−”になれば、電子を追いやります。 つまり (A)の様に回路が繋がっていなくても電子の移 動が起こると言う事です。 電源に近い所程、多くの電子が動き、電源から遠い所 程、動く電子の数が少ないと言う事です。 電流の量も所により違ったりします。(直流の場合は、 同じです。) 電子が動く事を"電流” と呼ぶ事に決めて いいますが、”電流” と呼ぶより ”電動” と呼ぶ方が正 しいかも知れません。”電流”は、皆様が得意な英語で は、”current"ですので、現在の動向を意味します。 電子の移動する様を "電流" と呼ぶなら参道や 商店街 を行き交う人の流れを ”人流” と呼んでも良い訳です 。 ここまで、皆様にとって 二つの衝撃的な事を お話し 致しました。一つ目は、 電流の流れる向きと 電子の 移動方向は、逆。 二つ目は、電源と負荷、そしてそれらを繋ぐ導線が繋 がっていなくても、電源が交流なら電流が流れると言 う事です。 それでは、もう一つ衝撃的なお話しを致します。 [電流の伝搬速度] 遠くの発電所から家庭まで電気が流れてくるとは、発 電所で原子から離れた１つの電子が家庭迄来ると言う 訳では、ないと言う事です。 例えて言いますと、発電所から家庭迄 電車が何百台( 輌) と繋がって止まっているとします。通常、電車は 、1両から十数輛繋がっていて動く事で皆様は 移動す る事が出来ますが、この電車は、出発地から目的地迄 繋がっていて、中の人は、出発地の車両から目的地迄 繋がる車両の中を歩かなければ目的地へつけない電車 です。 各車両には、お客さんが乗っています。 お客さんは、 電子です。 発電するとは、この電車の発電所側の車輛に居る人か ら家の近くまで繋がった車輛の中の人、全て動く様に 指示する事です。 発電所から家迄続く電車の中の一人一人の動く範囲は 、時間当たり極僅かですが、一瞬にして、家の近くの 車輛に居る人までが動きだします。 全ての人の顔が同じ様なので、発電所の近くの車輛に 居た人が一瞬にして家の近くの車輛迄走って来た様に 思えますが “動く” と言う行動が一瞬に伝搬してきた に過ぎないのです。 電気の流れるスピードは、光の速さに近いのですが、 これは、発電所側の電子から皆様のご家庭のコンセン トの近く迄の電子全てに動けと言う指示が光の速度で 伝わったと言う事なのです。 目に見えない小さな電子が動く速度は カタツムリ程 です。 [電流の量] 沢山の電流が流れるとは、ある場所を考えたときそこ を１秒当たりに移動する電子の数が多い事を言います 。 それでは、今回のおさらいです。 自由になった自由電子は、”−”の電気の性質を示す。 電子の数が不足した原子は、 ”+” の電気の性質を示 す。 これが電気です。 自由電子が動いている所。そこには 電流が流れてい るといいます。電子が移動していれば、電流です。 以上の事を理解する事は 電気を深く理解した事にな ります。 今回のお話を読まれた方は、普通の文系では なくな りました。 私の様な理系の世界に 一歩足を 踏み込んだ事になり ます。 それでは、 次回は、 いよいよ「電波って何？」と言 うお話を致します。 | |
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