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2014年7月29日 (火)

円偏波 Circular Polarization

「珍しいアンテナ」、スパイラルレイ・アンテナの記事で、円偏波の電波が出ると書きましたが、円偏波とはどういうものか、そもそも電波とはどういうものかが、残念ながら良く分かっていません。コメントにも書きましたが、この際と思い、昔買った後藤尚久(JA1ZU)著「電磁波とはなにか」(1974)と「アンテナの科学」(1987)を持ち出して、拾い読みで読み直して見ました。

Img_8144s
「電磁波とはなにか」は、前半が電界、磁界の説明で、そこまではだいたい分かりましたが、真ん中辺から始まる「IV電磁波とはなにか」になると、難しくなって、良く分かりません。
この本による説明は、科学史上の発見を追うように進んでいますが、1678年に、デンマークの天文学者レーマーが、光の速度が秒速約30万キロであることを測定したということです。(そんなに古いことだったのかとちょっと驚きました。)
一方、1856年に、ウェーバーによって、誘電率εと透磁率μの積の値が測定され、その平方根の逆数が秒速31万キロという光の速度に非常に近い値だったそうです。この値が速度の単位をもつことは、古くから知られていたということですが、どうしてそうだと分かったのか、説明がなく、この辺りから、分からなくなってきました。
このウェーバーの測定結果から、マックスウェルは、1864年、光は電気の波であると予想し、1871年にこれを発表したそうです。この予言を実験で確かめたのがヘルツで、そのことは、1888年に発表されたのだそうです。
今日になって、「はじめに」を読んだら、「・・・現代の電気の発展は、1800年のボルタの電池の発明によって加速されるが、それでもヘルツによる電磁波の実証まで、百年の間天才たちを悩ましたのが電磁波である。」とあり、本質的にむずかしいことなので、わかりにくいところは少し辛抱し、くりかえし読んでいただきたいと書いてあって、ちょっと慰められました。
「はじめに」とは別に「プロローグ」があり、そこには、「知識のなかには、断片的な雑学といわれるものと系統的なものがある。系統的なものの典型が学問である。『学問に王道なし』といわれるように、系統的な知識を得るには努力が要求される。・・・電波を理解するためにはこの系統的な知識が少し必要であるためと思われる」とも書いてあり、ともすれば雑学に傾きがちな筆者には、耳の痛いことばでした。

前置きが長くなりましたが、「アンテナの科学」の方のp.227からの円偏波の説明を参考に、「電磁波とはなにか」のpp.142, 143の半波長アンテナ(ダイポール)からの時系列を追った電磁波の放射の図を切り貼りして、円偏波の立体イメージを作ってみました。

Img_8146s
写真では分かりにくいと思いますが、矢印の付いた曲線は電気力線です。磁力線はこれと直角なので、小さい円(真ん中が・のものはこちら向き、×のものは向う向き)で表されています。90度に置かれた別のダイポールからは、90度位相が遅れた高周波が給電されて、差し込んだ紙のような電波が出ます。ただ、これもおそらくポンチ絵のたぐいで、片方の交流電圧がゼロの(3)や(5)は良いですが、中間の(4)や(6)では、90度の角度に置いた紙に電気力線を描くのは、適切でなく、45度ずらした角度に置いた面に、代表する電気力線を示すべきなのではないかと思います。
「円」偏波というのは、ややミスリーディングで、一定の場所にいると、偏波の方向が回転しているように見える性質があります。
ユーチューブに、動画による説明がありましたので、リンクを付けておきます。

http://www.youtube.com/watch?v=Fu-aYnRkUgg

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コメント

いろいろな情報ありがとうございます.
スパイラルレイアンテナでは,電界(あるいは磁界)が,ご紹介された動画にあるような綺麗な円ではなく,楕円となり,広い意味での円偏波になる,ということならありそうですね.

SGHさん、コメントありがとうございました。
たしかに、上がっていたものの形だと、11本のエレメントのうちの真ん中が水平で、前後に+/-45度の範囲で並んでいるので、水平面を中心とした輻射が垂直面より強そうですね。
頭の体操ですが、もっとブームを長く、エレメントを増やして、+/-90度近くになるようにすれば、円偏波に近付くような気もします。

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