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電波（以前はヘルツ波と呼ばれていた）は、電磁スペクトルの中で最も周波数が低く、最も波長が長い電磁放射の一種で、通常、周波数は 300ギガヘルツ(GHz) 未満、波長は1 ミリメートル ( 3/64インチ)より大きく、米粒の直径程度である。周波数が約 1 GHz より高く、波長が30 センチメートルより短い電波はマイクロ波と呼ばれる。[ 1 ] すべての電磁波と同様に、電波は真空中では光速で伝わり、地球の大気中ではそれよりわずかに遅い速度で伝わる。電波は、時間的に変化する電流など、加速を受ける荷電粒子によって生成される。[ 2 ]自然界で発生する電波は、雷や天体から放出され、すべての高温物体から放出される黒体放射の一部である。[ 3 ]
電波は、送信機と呼ばれる電子機器によって人工的に生成され、送信機はアンテナに接続され、電波を放射します。電波は、無線受信機に接続された別のアンテナによって受信され、受信信号が処理されます。電波は、固定および移動無線通信、放送、レーダーおよび無線航法システム、通信衛星、無線コンピュータネットワーク、その他多くの用途で、現代の技術において非常に一般的に使用されています。電波の周波数によって、地球の大気中での伝搬特性が異なります。長い波は、山などの障害物の周りを回折して地球の輪郭に沿って伝搬し（地表波）、短い波は電離層で反射して地平線の向こう側で地球に戻ってきます（電離層波）。一方、波長がはるかに短い波はほとんど曲がったり回折したりせず、視線に沿って伝搬するため、伝搬距離は視界の地平線に制限されます。
異なるユーザー間の干渉を防ぐため、人工的な電波の発生と使用は法律で厳しく規制されており、国際電気通信連合（ITU）と呼ばれる国際機関によって調整されています。ITUは電波を「任意に低い周波数の電磁波」と定義しています。3000 GHz は人工ガイドなしで宇宙空間を伝搬します。[ 4 ]無線スペクトルは周波数に基づいて多数の無線帯域に分割され、さまざまな用途に割り当てられます。周波数が高く波長が短い電波はマイクロ波と呼ばれます。
電波は、 1867 年にスコットランドの数理物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって提唱された電磁気学の理論によって初めて予測されました。[ 5 ]現在マクスウェル方程式と呼ばれる彼の数学理論は、結合した電場と磁場が「電磁波」として空間を伝わることを予測しました。マクスウェルは、光は非常に短い波長の電磁波で構成されていると提唱しました。1887 年、ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツは、実験室で光よりも周波数の低い電磁波、つまり電波を実験的に生成することで、マクスウェルの電磁波の現実を実証しました。[ 6 ]そして、電波が光と同じ波動特性、すなわち定常波、屈折、回折、偏光を示すことを示しました。イタリアの発明家グリエルモ・マルコーニは、 1894 年～1895 年頃に最初の実用的な無線送信機と受信機を開発しました。彼は無線に関する研究で 1909 年のノーベル物理学賞を受賞しました。無線通信は1900年頃から商業的に利用され始めた。現代の「電波」という用語は、1912年頃に元の名称である「ヘルツ波」に取って代わった。
電波は、荷電粒子が加速される際に放射されるものです。電波の自然発生源としては、雷や地球大気中のその他の自然現象によって発生する電波雑音、そして太陽、銀河、星雲などの宇宙空間にある天体からの電波源が挙げられます。また、すべての高温物体は、黒体放射の一部として高周波電波（マイクロ波）を放射します。
電波は、アンテナと呼ばれる特殊な形状の金属導体内を電子が往復することで生じる、時間的に変化する電流によって人工的に生成されます。無線送信機と呼ばれる電子機器がアンテナに振動電流を印加すると、アンテナはその電力を電波として放射します。電波は、無線受信機に接続された別のアンテナによって受信されます。電波が受信アンテナに当たると、金属内の電子が前後に押し動かされ、受信機によって検出される微小な振動電流が発生します。
量子力学によれば、光などの他の電磁波と同様に、電波も光子と呼ばれる電荷を持たない素粒子の流れとみなすことができる。[ 7 ] 電波を送信するアンテナでは、アンテナ内の電子が電波光子と呼ばれる離散的なパケットでエネルギーを放出し、受信アンテナでは電子が電波光子としてエネルギーを吸収する。アンテナはレーザーのように光子をコヒーレントに放出する装置であるため、電波光子はすべて同位相である。[ 8 ] [ 7 ]しかし、プランクの法則によれば、個々の電波光子のエネルギーは極めて小さく、10 −22 から 10 −30 ジュールです。そのため、非常に低出力の送信機のアンテナでさえ、毎秒膨大な数の光子を放出します。したがって、メーザー内の原子がマイクロ波光子を放出するなどの特定の分子電子遷移プロセスを除けば、電波の放出と吸収は通常、マクスウェル方程式によって支配される連続的な古典的プロセスとみなされます。
真空中の電波は光速で伝わる[ 9 ] [ 10 ]物質媒体を通過する際、電波は媒体の透磁率と誘電率に応じて減速します。空気は非常に希薄なので、地球の大気中では電波は光速に非常に近い速度で伝わります。
波長は波の電場のピーク（頂点）から次のピークまでの距離であり、周波数に反比例する。波の。真空または空気中を伝搬する電波の周波数と波長の関係は
どこ
同様に、真空中で電波が1秒間に進む距離は299,792,458メートル（983,571,056フィート）で、これは1ヘルツの無線信号の波長です。1メガヘルツの電波（AM帯の中間）の波長は299.79メートル（983.6フィート）です。
他の電磁波と同様に、電波には偏波と呼ばれる性質があり、これは波の振動する電場の方向が進行方向に対して垂直であることを意味します。平面偏波電波は、進行方向に対して垂直な平面内で振動する電場を持ちます。水平偏波電波では、電場は水平方向に振動します。垂直偏波では、電場は垂直方向に振動します。円偏波では、任意の点の電場は、1サイクルにつき1回、進行方向を中心に回転します。右円偏波は進行方向を中心に右旋回しますが、左円偏波は反対方向に回転します。[ 11 ]： p.21 電波の磁場は電場に垂直であり、電場と磁場は放射方向に対して右旋回します。
アンテナは偏波電波を放射し、その偏波は金属アンテナ素子の方向によって決まります。例えば、ダイポールアンテナは2本の直線状の金属棒で構成されています。棒が水平であれば水平偏波電波を放射し、棒が垂直であれば垂直偏波電波を放射します。電波を受信するアンテナは、送信アンテナと同じ偏波でなければならず、そうでなければ受信が著しく低下します。太陽、恒星、高温物体からの黒体放射など、多くの自然界の電波源は、偏波状態が均等に混ざり合った非干渉性の短波列からなる無偏波電波を放射します。
電波の偏光は、光子のスピンと呼ばれる量子力学的性質によって決まります。光子のスピンには2つの値があり、運動方向を中心として右回転するか、左回転するかのいずれかです。右円偏光電波は、右回転する光子から構成されます。左円偏光電波は、左回転する光子から構成されます。平面偏光電波は、右回転と左回転のスピン状態の量子重ね合わせにある光子から構成されます。電場は、右回転場と左回転場の重ね合わせから構成され、平面振動が生じます。
電波は、波長が長いため伝搬特性が優れていることから、他の電磁波よりも通信に広く利用されています。[ 12 ] 電波は、どんな天候でも大気、樹木、ほとんどの建築材料を透過することができます。回折により、波長が長い電波は障害物の周りを曲がることができ、他の電磁波とは異なり、波長よりも大きい物体に吸収されるよりも散乱される傾向があります。
電波伝搬の研究、つまり電波が自由空間や地球の表面をどのように伝わるかの研究は、実用的な無線システムの設計において極めて重要です。さまざまな環境を通過する電波は、反射、屈折、偏波、回折、吸収を経験します。異なる周波数では、地球の大気中でこれらの現象の異なる組み合わせを経験するため、特定の無線帯域は他の帯域よりも特定の目的に適しています。実用的な無線システムは、主に次の 3 つの異なる電波伝搬技術を使用して通信します。[ 13 ]
マイクロ波周波数では、大気中のガスが電波を吸収し始めるため、実用的な無線通信システムの通信範囲は周波数の増加とともに減少します。約 20 GHz 未満では、大気による減衰は主に水蒸気によるものです。20 GHz を超えるミリ波帯では、他の大気ガスが電波を吸収し始め、実用的な伝送距離は 1 キロメートル以下に制限されます。300 GHzを超えるテラヘルツ帯では、ほぼすべての電力が数メートル以内に吸収されるため、大気は実質的に不透明になります。[ 14 ] [ 15 ]
無線通信システムでは、情報は電波を使って空間を越えて伝送されます。送信側では、送信する情報が時間とともに変化する電気信号の形で無線送信機に入力されます。[ 16 ]変調信号と呼ばれるこの情報は、マイクロホンからの音声を表す音声信号、ビデオカメラからの動画を表すビデオ信号、またはコンピュータからのデータを表すデジタル信号です。送信機では、電子発振器が無線周波数で振動する交流電流を生成します。これは、情報を空中に「運ぶ」電波を生成するため、搬送波と呼ばれます。情報信号は搬送波を変調するために使用され、搬送波の何らかの側面を変更して、搬送波に情報を符号化します。変調された搬送波は増幅され、アンテナに入力されます。振動する電流はアンテナ内の電子を前後に押し、振動する電場と磁場を生成し、アンテナから電波としてエネルギーを放射します。電波は情報を受信場所に運びます。
受信機では、入射電波の振動する電場と磁場が受信アンテナ内の電子を前後に押し、送信アンテナ内の電流の弱い複製である微小な振動電圧を生成します。[ 16 ]この電圧はラジオ受信機に印加され、情報信号が抽出されます。受信機はまずバンドパスフィルタを使用して、目的のラジオ局のラジオ信号をアンテナで受信した他のすべてのラジオ信号から分離し、次に信号を増幅して強くし、最後に復調器で情報を含む変調信号を抽出します。復元された信号は、音を出すためにスピーカーまたはイヤホンに、または視覚画像を生成するためにテレビディスプレイ画面に、またはその他のデバイスに送信されます。デジタルデータ信号は、人間のユーザーとやり取りするコンピュータまたはマイクロプロセッサに印加されます。
多数の送信機からの電波は、互いに干渉することなく同時に空気中を通過します。受信機では、各送信機の電波が異なる周波数で振動するため、つまり各送信機が異なる周波数（キロヘルツ（kHz）、メガヘルツ（MHz）、ギガヘルツ（GHz）で測定）を持つため、電波を分離することができます。受信機のバンドパスフィルタは、音叉のように共振器として機能し、1つまたは複数の同調回路で構成されています。[ 16 ] 同調回路には、固有の共振周波数があり、その周波数で振動します。共振周波数は、目的のラジオ局の周波数に等しくなるように設定されます。目的のラジオ局からの振動する無線信号によって同調回路が共鳴振動し、その信号が受信機の残りの部分に伝達されます。他の周波数の無線信号は同調回路によって遮断され、伝達されません。
電波は非電離放射線であり、原子や分子から電子を分離して電離させたり、化学結合を切断して化学反応やDNA損傷を引き起こしたりするほどのエネルギーを持っていません。物質が電波を吸収する際の主な効果は、電気ヒーターや薪ストーブなどの熱源から放射される赤外線と同様に、物質を加熱することです。電波の振動する電場によって極性分子が前後に振動し、温度が上昇します。これは電子レンジが食品を加熱する仕組みと同じです。電波は、体組織の深部を加熱して血流を促進し治癒を促すジアテルミー療法において、 100年以上にわたり人体に利用されてきました。近年では、温熱療法でより高い温度を作り出し、がん細胞を死滅させるためにも利用されています。
しかし、物体の表面で主に吸収されて表面加熱を引き起こす赤外線とは異なり、電波は表面を透過して物質や生体組織内部にエネルギーを蓄積することができます。電波の浸透深度は周波数とともに減少し、物質の抵抗率と誘電率にも依存します。これは物質の表皮深さと呼ばれるパラメータで表され、エネルギーの63%が蓄積される深さです。例えば、 電子レンジの2.45GHzの電波（マイクロ波）は、ほとんどの食品を約63%の深さまで透過します。2.5～ 3.8cm。
稼働中の無線送信機の導波管など、近距離で電波源を覗き込むと、加熱によって眼の水晶体に損傷を与える可能性があります。十分な強さの電波ビームは眼を透過し、水晶体を加熱して白内障を引き起こす可能性があります。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
加熱効果は原理的には他の熱源と変わらないため、電波への曝露による健康被害の可能性に関する研究のほとんどは、「非熱的」効果、つまり電波が加熱以外の組織への影響があるかどうかに焦点を当てています。国際がん研究機関（IARC）は、無線周波数電磁界が人間や動物に及ぼす影響について「限定的な証拠」があると分類しています。[ 22 ] [ 23 ]携帯電話からのRF-EMFへの個人曝露によるがんリスクのメカニズム的証拠は弱いものです。[ 24 ]
電波は導電性の金属板やスクリーンで遮蔽することができ、板やスクリーンで囲まれたものはファラデーケージと呼ばれます。金属スクリーンは、スクリーンの穴が電波の波長の約1/20より小さい限り、固体の板と同様に電波を遮蔽します。[ 25 ]
無線周波数放射は電気成分と磁気成分の両方を持つため、放射場の強度をそれぞれの成分に固有の単位で表すと便利な場合が多い。電気成分にはボルト毎メートル（V/m）が、磁気成分にはアンペア毎メートル（A/m）が用いられる。電磁場という概念を用いることができ、これらの単位は測定場所における電界および磁界の強度レベルに関する情報を提供するのに用いられる。
RF電磁界を特徴付けるためによく使われるもう1つの単位は、電力密度です。電力密度は、測定点がRFエミッタから十分に離れていて、放射パターンの遠方界領域と呼ばれる領域にある場合に最も正確に使用されます。 [ 26 ]送信機に近い、つまり「近方界」領域では、電界の電気成分と磁気成分の間の物理的な関係は複雑になる可能性があり、上記で説明した電界強度単位を使用するのが最適です。電力密度は、単位面積あたりの電力で測定され、たとえば、単位はミリワット毎平方センチメートル（mW/cm 2）です。マイクロ波帯域以上の周波数について話す場合、発生する可能性のある曝露は遠方界領域にある可能性が高いため、電力密度は通常、強度を表すために使用されます。
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