E,B伝搬のイメージ

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号の伝搬するイメージを電圧と電流でなく電場Eと磁場Bで描いてみる。

(1)スイッチOFFのときは導体間に電場Eも電荷もない (電源側にはEがあるが)

(2)スイッチONすると導体間に電場Eができると同時に表面に電荷が移動する

(3)電場Eから磁場B, BからEと交互にできていく、また表面の電荷は増えていくので電源は電荷を供給し続ける(→補足1)

 

こうしてみると導体に電流が流れているというより、

 電磁波が導体間の空間を伝搬しそれに伴って表面を電荷分布が移動している

というイメージの方が正しい(→補足2)

伝送線路を電磁波が伝わっていくというイメージは、伝送線路を開いたものがダイポールアンテナであると考えるとわかりやすい。導体間を開くと電磁波は空間に放射される。

ところでTEM波というのは波面がまっすぐな平面波であるが、例えばプリント基板の伝送路(ストリップラインやマイクロストリップライン)の場合、同軸ケーブルと違って電磁場が遠くの方まで広がっている。そうすると信号線の近くと遠く離れた位置とでそろって波面が進むのは変な感じがするが、これは真の平面波を発生させるには無限に広がった発生源を仮定しなければならないからである。

実際の信号発生源は一箇所なので、マイクロストリップラインを伝わる電磁波を上からみると次図のように同心円状に進んで行くが、電磁場のほとんどは信号線の近くに集中しているので、信号線の付近では平面波(TEM)と見なせるのである。

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(補足1) 電源から供給されるエネルギーは伝送路の電磁場に蓄えられていくので、

無限に長い伝送路はエネルギーを吸収しつづける、すなわち抵抗に見える。特性インピーダンスとはこの抵抗値であるともいえる。

この説明は「アースとケーブル」(伊藤健一)に書いてあったものだが、なぜケーブルがΩなのかの説明として直感的にわかりやすい。

(補足2) 実は、表面を電荷分布が移動しているというイメージはしっくりこない。というのは、通常の電磁気学の問題は与えられた電荷から場E,Bを求める (Maxwellの方程式),又は場E,Bの中を動く電荷を求める(Lorentz)かのどちらかだが、TEM波の場合は境界条件から電荷と場を同時に求めているので、どっちが原因で結果なのかはっきりしないからである。もうひとつしっくりこないのは、電荷分布の先端は光速で移動しているが、導体中の電子自身の移動速度は光速より遅い点である。例えば「なっとくする演習・電磁気学」(後藤尚久)には電子の移動速度は10cm/sと書いてありかなり遅いらしい。この点については導体中に電子はたくさんあるので玉突きで移動していると考えれば矛盾しないが、そもそも導体中の電子をこのような粒子のイメージでとらえることに無理があるのかもしれない。


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