電波とは？仕組み・波長・アンテナと用途（ラジオ・レーダー・通信）

初心者向け：電波の仕組み、波長、アンテナ構造と活用例（ラジオ・レーダー・通信）を図解でやさしく解説。

電波とは？仕組みの概要

電波は、電磁スペクトルの一部を構成しています。これらの波は、長い以外は、可視光線の波、X線やガンマ線に似た、異なる波長を持つエネルギーのパケットです。

電波も他の電磁波と同様に、電場と磁場が空間で振動して伝わる「横波」です。電波は真空中でも伝わり、その伝播速度は光の速度（約3.0×10^8 m/s）です。電波は、加速する電荷（例えばアンテナに流れる電流）の変化によって発生します。

波長・周波数の関係と分類

電波は、他の電磁波と同じように、海面波や他の種類の波に似ています。どちらのタイプの波も丘と谷の形をしていて、何度も繰り返しています。波長は、1つの山頂から隣の山頂までの距離として測定されます。可視光の波長は、1マイクロメートル未満と人間の髪の毛の太さよりもはるかに小さい、非常に小さいですが、電波は数センチから数メートルに波長を持つことができます。また、電波には電波の周波数があります。

波長と周波数は互いに逆数の関係にあり、波長 λ と周波数 f は光速 c を使って c = λ × f で結ばれます。周波数が高いほど波長は短くなります。一般に使われる分類（おおよその目安）は次の通りです：

• 長波（Long wave）：波長が数百〜数千メートル、周波数は数十kHz程度
• 中波（Medium wave）：数十〜数百メートル、AMラジオ帯（約530–1700 kHz）など
• 短波（Short wave）：数メートル〜数十メートル、約3–30 MHz（国際放送や短波通信）
• 超短波（VHF/UHF）：数十センチ〜数メートル、FMラジオ（約88–108 MHz）やテレビ、携帯通信の一部
• マイクロ波（Microwaves）：数ミリ〜数十センチ、レーダー、衛星通信、Wi‑Fiや携帯電話の高周波帯

（注：帯域の区分には複数の定義があり、用途や国によって呼び方や境界が異なります。上は一般的な目安です。）

アンテナと送受信の仕組み

電波の中で最も小さいものをマイクロ波といいます。短波はそれほど小さくありません。中波と長波もあります。電波を送受信するために設計されたアンテナは、通常、使用する波長に似たような大きさになっています。彼らはFMラジオ（数メートル、数フィート）またはAMラジオ（数百メートル、約千フィート）の信号を受信するため、多くのラジオアンテナ（車のそれらのような）が長く作られています。

アンテナの大きさや形状は受信・送信する周波数に合わせて設計されます。一般的にはλ/4（波長の1/4）やλ/2（波長の1/2）といった寸法のアンテナがよく使われます。アンテナには指向性（ある方向に強く電波を出したり受けたりする性質）や利得（電力を集中して利用できる度合い）、偏波（電場の振動方向）などの特性があり、用途に応じて選ばれます。パラボラ（皿）アンテナは高い指向性と利得を得るために用いられ、携帯機器や基地局では小型の利得アンテナや多素子アンテナが使われます。

歴史・天文学での発見

人工の電波は19世紀から通信に使われてきました。レーダーは20世紀に開発されたもので、電波を使って物体に波を跳ね返し、その波が戻るまでの時間を見ることで、遠くの物体を「見る」ことができます。また、ラジオはこの電波を使って情報の送受信を行っています。

他の惑星からの電波が最初に発見されたのは、1930年代にベル研究所で働いていたカール・グーテ・ジャンスキーによってです。ベル研究所はラジオチャンネルのノイズ（電子機器）を検出していましたが、ヤンスキーはこの静的なノイズ、つまり干渉の原因を見つけようとしました。雷から来たノイズを特定した後、彼は残りの部分を調べるのに多くの時間を費やしました。驚くべきことに、干渉の一部は宇宙から来ていたのです。この発見は、最終的に天文学者が光の波とともに電波を見て、空にあるものを見つけることにつながったのです。これらの電波天文学者は、衛星の皿のような形をした巨大な電波望遠鏡を使って、電波を集めて研究しています。

この発見から発展した電波天文学は、可視光では見えない塵や分子雲、パルサー、銀河中心の活動などを観測することを可能にしました。電波は大気の影響を受けにくい周波数帯もあり、地上や宇宙での観測に幅広く使われます。

主な用途（放送・通信・レーダー・その他）

電波は現代では様々なものに使われています。放送や通信衛星、携帯電話や多くのコンピュータも電波で通信しています。

具体的な用途と例：

• 放送：AM/FMラジオ、地上波テレビなど。AMは中波帯、FMはVHF帯を使用します。
• 通信：固定・移動体通信（携帯電話）、衛星通信、無線LAN（Wi‑Fi）、Bluetoothなど。用途に応じて変調方式（AM/FM以外にもQAMやPSKなど）や帯域幅が使われます。
• レーダー：航空管制、気象観測（気象レーダー）、自動車の衝突回避や速度取締りなど。多くはマイクロ波帯を用い、反射波の到達時間やドップラー効果で距離や速度を計測します。
• 測位・航法：GPSなどの衛星測位システムは高精度の電波信号を使って位置を特定します。
• 医療・産業：マイクロ波加熱、RFID、非破壊検査など。
• 天文学：前述の電波望遠鏡による観測で、遠方天体や宇宙背景放射の研究が行われます。

安全性・干渉・規制

電波は一般に低出力で使われる場合は安全ですが、高出力の電波は局所的な加熱などの影響を与えることがあります。国際機関や各国の規制当局（例えばITUや各国の通信規制機関）は、周波数割当や送信出力の基準、電磁界の曝露限度を定めています。また、無線機器は他のサービスへのノイズ（電子機器）を検出して干渉を起こさないよう設計・検査されます。

電波利用には周波数帯域の管理とライセンス制度が重要です。混信やサービス間の干渉を避けるため、業務用や放送用、一般利用の帯域が分けられており、正しい免許や技術基準に従うことが求められます。

まとめ

電波は私たちの生活や科学に欠かせない電磁波の一部で、波長や周波数によって性質や用途が変わります。アンテナや送受信技術、信号処理の進歩により、放送・通信・測位・観測など多様な分野で利用されています。利用する際は安全性や周波数管理にも注意が必要です。

質問と回答

Q:電波とは何ですか?

Q: 波長はどのように測定されるのですか?

Q: 電波は可視光線と比較してどのような大きさですか?

Q:マイクロ波とは何ですか?

Q: 短波とは何ですか?

Q: アンテナの大きさと用途はどう関係するのですか?

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