電磁波の吸収と反射の原理

【電磁波はエネルギーです】

　電磁波とはなんでしょう。電磁波で一番大事なことは、電磁波はエネルギーだ、と言うことです。例えば、可視光よりも少し低い周波数の赤外線について。炎を暖かく感じるのは、炎が出す赤外線を感じているのです。私たちの身の回りの電磁波は、赤外線よりもずっと周波数が低いので、電磁波を浴びても体は熱として感じません。ただし、電磁波に過敏な方が数％いて、この方たちは末梢神経や脳が電磁波を感じるようで、重症の場合は対策が必要となります。軽症の場合は、筆者もそうですが、疲れている時に携帯電話を使うと、手がちりちりします。ウェーブセーフは頭の被曝を減らす代わりに手を経由して送信するので、当然ながら頭への分が減っただけ、末梢神経が沢山有る手が感じる量は増えます。
　電磁波エネルギーが直接作用する例として、電子レンジや高周波加熱炉があります。電子レンジの使う２．４５ＧＨｚの電磁波は水分子を振動させて温度を上げます。高周波加熱炉は、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの交流電流を加熱対象の周囲のコイルに流し、対象物に誘導電流を流してジュール加熱をします。加熱対象物を外部から加熱するのではなく、内部に誘起する電流で直接過熱するのでエネルギーロスが少なく、瞬時に過熱する優れた方法です。電子レンジについては項を改めて書きます。

【電磁波は波動です】

　もう一つの電磁波の持つ特徴は、波の性質を持つことです。電磁波が空間を伝わる時は波の性質が現れます。波なので、周波数と波長で電磁波の特徴が決まります。空気中や真空中の電磁波の速度と波長と周波数の関係は、ｖ（速度）＝ｆ（周波数）・λ（波長）の式で表されます。速度ｖが秒速約３０万ｋｍで一定ですから、周波数ｆと波長λは反比例の関係となります。周波数ｆとは、波が１秒間に繰り返す数で、波長は波の一区切りの流さです。分かりやすい値として、携帯電話の使う１ＧＨｚ（ギガヘルツ）の電磁波の波長λは３０ｃｍです。家庭で使う５０Ｈｚの交流電流の波長は６千ｋｍです。地球の外周の長さは、約４万ｋｍですから、５０Ｈｚの電磁波は地球を７つ以下の波で取り囲めます。
同じ電磁波といっても周波数が変わると、使い方も影響の受け方も大きく違います。大別すると、１ＭＨｚ以上の周波数は、信号伝達用として、それ以下は高周波加熱、スイッチングレギュレータ、あるいは商用の５０、６０Ｈｚなどの電力伝達用に使われます。

【空間インピーダンス】

　電磁波が伝わる空間の特性をインピーダンスと言う単位で表します。インピーダンスとは電磁波の流れやすさ、あるいは通り易さ、です。電磁波が伝播する空気や真空のインピーダンスは３７７オームで、この値は周波数によって変化しません。金属は０オームです。電磁波は空気と金属とでは、インピーダンスの値が不連続（急に変わる）ので、空気から金属へは入り込まず反射されます。この原理を使うのがレーダーで、レーダーは自分から電磁波を送り、金属製の飛行機や船に当たって反射して帰ってきた電磁波を受けて、相手の存在を知ります。

【アンテナの原理】

電磁波の反射量は金属が小さくなると減りますが、波長の整数倍や同じ長さの金属に対しては反射が非常に大きくなります。これは電磁波の波の性質が強く出る例です。ここで、棒状の金属を波長の２分の１にすると、その周波数での棒の特性インピーダンスは３７７オームで、空気で出来ている壁と同じになり、電磁波は何の影響も受けずにそのまま通過します。そこで、棒の真ん中を切り、増幅器をつなぐと受信機になり、抵抗で繋ぐと電磁波エネルギーは抵抗によって熱となり吸収されます。波長の２分の１の棒はアンテナとして作用したことになります。アンテナには電磁波の波の性質が最も顕著に出ています。

【ヒトの体と電磁波の関係】

　３００ＭＨｚ～３ＧＨｚのＵＨＦ帯には、ＴＶ放送、警察と消防の無線、そして携帯電話、と身近には電磁波源がたくさん有ります。特に、影響が在るのは自分の使う携帯電話で通話をするとき。最大で０．８Ｗの電磁波が頭を経由してゆきます。
　レーダーの使う電磁波は、波長と同じ長さ、および整数倍の金属からよく反射されます。これは、波長と同じ長さの金属に一度共振をしてから再び放射されている、と言えます。成人の体は水分が６０％ですが、塩分を含んでいるので良導体、すなわち金属と同じです。人間の体のサイズは頭の回りが６０ｃｍ、肘の長さが３０ｃｍ、胴回りが９０ｃｍ、と１ＧＨｚの波長３０ｃｍの整数倍で、上半身の各部位は電磁波と共振をする長さになっていることがわかります。

アンテナの棒と違って、人間の体は太さがあるので、もっと長い波長に共振をするはずです。困ったことに、通話用に使っている８００ＭＨｚの周波数では波長が３７．５ｃｍなので、さらによく共振するでしょう。また、スマートフォンのインターネット接続時のＬＴＥモードで使う１．５ＧＨｚ近辺の電磁波は、乳幼児の頭や身体に共振する波長です。この点も注意したいです。