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TOITAの「航空無線通信士受験塾」第10期受験直前講座 (3)電気力線・電波の性質の解答

            受験直前講座
           (3)電気力線・電波の
              性質の解答

今回は、前回出題しました演習問題の解答と解説を行い
ます。

[演習問題4]
図-4の様に正の電荷と負の電荷が存在します。
この時、A,B,C,D と書いていある矢印の根元の茶色の
丸の点での電界の方向は、A でしょうか?B でしょうか
? C でしょうか? D  でしょうか?



[解答]
  電気力線とは、電磁気の章でもお話をしました通り電気の
  力が及ぶ場(電界又は、電場と言います。)の様子を示す
  ものです。
 線の密度で電界の強さを表します。下の図をご覧下さい。
 ”+”の電荷からは、あらゆる方向へ電気力線が発せられ
 ています。”-”の電荷へは、あらゆる方向からの電気力線
 が吸収されています。
 ”+”の電荷を例にしてみますとある電気量を持った電荷か
 ら発せられる電気力線の数は、決まっていますので電荷か
 ら遠い所では、電気力線の密度が下がります。つまり、
 界の強さ小さくなった事になります。

 
 次に電界の方向について考えてみます。
 問題の図では、”+”の電荷から出た電気力線は、”-”の
 電荷に向かっています。
 仮に、何もない空間に”-”の電荷を置き、その点から距
 離:r[m] の地点での電界の強さを調べる時、その点に
 "+1[C]” の電荷を置きどれだけの力が働くかがその地
 点の電界の強さになります。
 つまり電界の強さとは場所により違います。電界の強さと
 は、その場所で”+1[C]”当たりどれだけの力が働くかを
 言いますが、電界の方向は、試験用に置いた”+1[C]”
 の
電荷が動く方向と定めています。
 この例の場合は、”+1[C]" の電荷は、”-” の電荷の方
 へ吸い寄せられますので、”-”の電荷が作る電界の方向
 は、”-”の電荷に向かう方向と言う事になります。
 
 よって答えは、”A” となります。

 (おまけ)
 問題の図の電気力線は、何故、2番目の絵の様に真っす
 ぐでないのでしょうか?
 電気力線は、”+”の電荷から”-”の電荷へ向かいます。
 電気力線の接線方向(曲線の極短い部分と平行な方向)
 が、その場の電界の方向を表しますので、”+”の電荷と
 ”-”の電荷のそれぞれの場所での電界の方向を繋いで
 ゆきますと、問題の絵の様な電気力線が描けるのです。

 覚え方としては、電気力線は、”+”の電荷から”-”へ最
 短距離で向かおうとしまうが、電気力線どうしは、反発し
 ますので反発と最短距離とのバランスが取れたものが問
 題の図の様になります。

[演習問題5]
電波の基本的性質について述べた以下の文書の内、正し
いものを”1”、あやまっているものを”2”と答えて下さい。
但し、電波の速度を c [m/s] 、周波数を f[Hz] 、及び波
長を λ [m] とします。

ア c は、約 3x10^8 [m/s] で、λ = cf [m/s] で表
   される。
イ 電波の電界の振動方向が常に大地と垂直な場合を垂
   直偏波という。
ウ 電波は、放射源から広がって伝わり、徐々に減衰する。
エ 電波は、進行方向に対し電界と磁界の振動面が横方
   向である横波である。
オ 電波を構成する電界と磁界は、同一平面で振動する。

[解答]
ア 周波数の単位は、[Hz] ですが昔は、[c/s](サイクル
   ・パー・セカンド:1秒間に何サイクル振動するか) と言
  う単位でしたので、周波数とは、何かと言う事が単位か
  ら読みとる事ができました。
  それぞれの単位を問題の式に書きこんでゆきますと

  λ[m] = c [m/s] x f [c/s]
                = cf [mc/s^2]

      となります。サイクルの"c" は、1[本] や 1[匹] の用
   な物理的な単位でありませんので”c”を無視したとして
   も、左辺と右辺の単位が等しくありませんのでこの式は、
   間違いです。

   答えは、”2”となります。

  この様に、計算式が正しいか間違っているかを検証する
     場合、単位で考えると分かります。
  ちなみに正しい式は、

  λ [m] = c [m/s] / f [c/s]
                 = c /f [m/c]

     "c"は、物理的な単位でありませんので


  λ [m] = c/f [m]

      となります。


イ 下の図をご覧下さい。

  左の線は、大地に対して垂直に立てた導線で高周波電
  流が流れているとします。導線の周りに大地と平行に磁
  界が出来ます。この図では、ペパーミント・グリーンでその
  大きさを示しています。
  そして、電界(赤)は、地面に対し垂直に現れていいます。
  電界の振動が大地に対して垂直になっていますので、
  垂直偏波と言います。  

  よって、答えは、”1”となります。

ウ 答えが”正しいか?”、”間違っているか?”は、微妙な問
   題です。
   微妙と言わざるを得ない点が2か所あります。
   1つ目
   電波は、どんなに指向性の強いアンテナから輻射しても
   広がりますが、この問題の文書からは、理論上のアンテ
      ナであるアイソトロ ピック・アンテナ の様に全方向へ等し
      い強度で輻射して いるイメージが感じられる事です。
   2つ目
   「電波が徐々に減衰する」としていますが、この通りだと
   しますと、電波の一種である光は、何億光年も彼方から
   地球に届く前に減衰してしまうか、届く為には、莫大な光
      のエネルギーが有る事になります。
   電波も光もそれぞれが進行する媒質に変化がなければ、
   永久に不滅なのです。
   例えば、太陽から来た光がビルの中(窓が無いものとし
   ます。)に届かないのは、光が空気からコンクリートと言う
   様に媒質の違う中へ進んだ為に消滅したのです。

  余計な事を言いましたが、試験問題として問題の制作者
  の気持ちを考えると答えは、”1”となります。

  問題の制作者の気持ちを代弁しますと、電波は、太さを
  持たない線の様に広がりを持たない事は、ない。かなら
  ず広がり、遠くで受信すると弱くなる。減衰とは、電波の
  輻射地点からの距離:r[m] が作る球の表面積の単位
  面積当たりの電波のエネルギーが減少している事を減
  衰と言う言葉で表した。
  と言う事だと思います。試験では、問題の制作者の意図
  した答えを出す事が得点に繋がります。

エ ”横波”と”縦波”とは、言葉からして分かりにくのですが、
  ””とは、波の進行方向に対して直角方向を意味します
  。
  ””とは、波の進行方向を意味します。
   下の図は、電波を構成する電界と磁界の振動方向を表
   しています。

   赤は、磁界で、青は、電界です。X-Y 平面の中では、上下
   も左右も斜めも進行方向に対して”横”と言う事になります。

   よって、答えては、”1”となります。

   注 図の赤の部分も青の部分も振動しているある1時を捉
      えて描いていますので、磁界が右に膨らんでいる部分
      も時間と共に振幅げ減少し、今度は、左側へ膨らんで
      行き、また、振幅が減少し、右側へと膨らんで行く事を
      繰り返します。
      電界の場合は、上下に振幅が変化する事になります。

オ 上の図を見ますと電界は、y 軸方向に振動し、磁界は、x
軸方向に変化していますので、答えは、”2”となります。

次回は、抵抗の直並列回路における枝路の電流についての
演習問題を出題いたします。
抵抗の直並列回路の電圧、電流の計算は、回路の計算の基礎
となりますので、次回もお読み下さい。



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