空中線

基本的にこの回路は電波をとらえるアンテナ(A)と余分な電流を流すアースによって成り立っていて、途中に次の回路に電流を進めるコイル(L)が入ったり、同調回路のコイルと共有になったりすることもあります。本来なら、鉱石ラジオではアンテナのことを空中線とするのがふさわしいのかもしれません。

なぜかというと、鉱石ラジオができたころ、イギリスにいたマルコーニが大西洋横断の無線通信に初めて成功した実験で、 150mの高さにあげた凧から垂らした針金で電波をキャッチしました。それでイギリスでは今でもエアリアルearialと言っていて、空中線はその訳語だからです。

アメリカでは比較的早くから真空管式ラジオが発達し、感度がよいのであまり大きくない空中線でも聞こえるため室内アンテナが開発され、可般性のものが大半であったため、そこからアンテナantenna(昆虫などの触角)と言うようになったようです。

電波と空中線

電波をキャッチするのも空中線ですが、電波を送信機から放出するのも空中線です。ではいったいどのようにして電波は空中線から放出されるのでしょう。

同調回路のところでお話ししたように、コンデンサーの両端に直流の電圧をかけると(+)から(ー )のほうへ電気力線が発生します。

もう一度くり返しますと、電気力線は図に書いたような線として実際に存在しているわけではなく一種のたとえのようなものですが、低い電圧ではその数は少なく、電圧が高くなると数も増え電圧の向きを変えると電気力線も向きを変えると考えます。

ですからもしこのコンデンサーに交流の電圧をかけると、電気力線も増えたり減ったり、逆向きになったりするわけです。

またこのコンデンサーの極板の距離を少しずつ離してゆくと、電気力線はそのお互いの反発力によって、(+)から(― )へはゴムの線のように引き合いながらも横のほうへと広がって、徐々に膨らんでゆくのです。

このように直流の電圧の場合は、横にいくら膨らんでいても電気力線はそのままを保っていますが、ここに交流の電圧をかけるとちょっとおもしろい現象が起こると考えられています。低い周波数のときにはそれでも電気力線は少々膨らみながらもせわしくその方向を変え、増えたり減ったりしているのですが、周波数が高くなるにつれ、大きく膨らんだ電気力線は、中のほうへ戻ることができなくなりはじめあとからあとから、まるで押し出されてゆくように順々に外のほうへと飛び出すようになってゆくのです。それがいったいどのように行われているか、本来、人間の時間系ではおよそ想像することは不可能に思えます。そこで1秒に30万km(正確には299.792.458m)を移動する電波を1秒に1cmくらいの速度にみたてて、もし目で見ることができれば信じられないほどあるはずの電気力線のうち1本だけに注目して説明したいと思います。もちろんこれはあくまでも仮定であって、電磁波の現象を理解するうえでの便宜上の説明であり、未米においてはまったく別の方法でもっとうまく説明できるかもしれません。

電波の発射

上の図はコンデンサーの電荷の間で電気力線が発生するようすと、電圧の変化(電圧や方向)を示してあります。おそらくこのようにして、電波は空間に飛び出してゆくと考えられます。低い周波数では電気力線はコンデンサーに戻ってしまい、ある程度高い周波数にならないと電波にはなりにくいということです。そのようなわけで電波の出力をする空中線やアンテナはまさに一種のコンデンサーであると言えるのです。

 

よりよく電波を出す工夫

実際の空中線はコンデンサーの格好をしているわけではなく、もっと電波の出やすいように工夫されています。どのように工夫しているかというと、図の(A)→ (B)→ (C)というように、片方にどんどん開いてゆくとそれだけ電波は出やすくなり、(D)180° に開ききると導体の反対から同距離になるのでさらに出やすくなります。(E)はその一端を大地に接してしまうと、大地は良導体と考えられるので、まるで片方の一端を地中深くに埋めたような効果をもちます。この機構こそが大地(アース)を用いるという考え方で、空中線回路のもうひとつの重要なポイントとなるのです。アースを使う考え方はマルコーニが考案したもので、彼の発明のなかで最も大事なものとも言われています。そこで昔はこのような空中線機構(片方を接地したもの)を、マルコーニエアリアル(マルコーニアンテナ)と呼んでいました。

振幅変調

マイクから入った音やあらかじめ録音されていた音声などの低周波信号は、いったん増幅され、発振器から出て増幅された高周波の電流と変調器によって合成されます。単純にまぜるだけだと(C)のようになってしまい、(D)のような変調波型にはなってくれません(ここでは変調器の変調理論の説明は省きます)。

この複雑な変調器によって、人の声などの低い周波数の音声信号は、高周波の搬送波carrier waveとともにさらに増幅されて、音声の成分を含んだ電波として空間に飛び立ってゆくのです。

 

国内の―般放送の開始(中波による)

アメリカのピッツバークのKDKA局が1920年、 イギリスのロンドンBBC局が1923年、日本の東京のJOAK局が1925年等々、世界のあちこちで国内に向けての一般放送が始まります。これらの放送に使われているのは、中波の周波数の電波です。それまでの経験から、お互いが送受信をするわけでもなくまた国内という限られた範囲での一般向けの放送なので、巨大な設備の必要な長波や遠方まで通信するための短波ではなく、中波の周波数帯が選ばれたわけです。

東京放送局では大正14年3月1日日曜日、芝浦の東京高等工芸学校(現都立大学工学部)の図書館の中に設けたスタジオからその第一声を発しました。「アー、アー、アー、よく聞こえますか?」午前9時半、海軍軍楽隊の行進曲の演奏が始まり、人々はまだ珍しい受信機の前にむらがって耳を傾けていて、その声が聞こえたときには「聞こえた、聞こえた!」と感動のあまり泣きだす人もいたほどでした。この試験放送は成功して、3月22日の仮放送に続き、 7月12日には本放送が開始されたのです。

電界強度

感覚的にも感じるように、電波は距離が遠くになるにつれてだんだんと弱くなります。それは、アンテナからの距離の2乗に反比例していて、たとえば距離が2倍なら1/4、5倍なら1/25というように弱くなるのです。この電波の強さのことを電界強度と言います。もっとも、この減衰率も理想的な状態のときのもので、実際には山や森、高い建物などが電波の伝わるのを邪魔してしまうので、さらに弱くなるのです。これは減衰定数とも言われ、この定数が大きいほど減衰ははなはだしくなります。やはり、でこぼこしている山岳地ではとでも大きくて、森や建物の多いところ→少ないところ→平らな土地→海という順で小さくなります。この電界強度は〔V/m〕という単位で表され、有効な高さ1mのアンテナに1Vの電圧が誘起された場合、 1V/mということになりますが、実際このようなことがあれば怖くて外も歩けないでしょう。通常はこの1000分の1の〔mV/m〕あるいは100万分の1の〔μV/m〕を使用します。

電波の伝わり方

ヘルツが実験で火花のスパークによって電波を発見したころ、その周波数は今でいう短波帯に属するものでした。ところがこれでは電波はどんどん上空に飛んでいってしまい、地球のように円い地面のところでは遠方の地域へは届かないと考えられ、外のほうへ逃げずに地表に沿って進む電波(地上波)が初期の電信事業では開発されていました。短波のように空間に広がる空間波の性質を持つものより長い波長のものほど、地面に広がる性質があって、その地表波の代表が長波です。

ところが通信に長波を使うと、その長い波長に合わせた空中線、同調回路がみな巨人になりますし、先ほどの電界強度の減衰率がとでも大きくて、遠方への通信には莫大なエネルギーを必要としてしまうのです。しかも長波の周波数が低いので、搬送波として用いた場合にどうしてもそれに乗せることのできる音声の帯域は短波のように広くとれないのでした。そのような理由から、ラジオ放送が中波を用いて開始されたと考えられます。

波長と周波数

先ほどから何度も出てくる波長と周波数ということについて、ちょっとまとめておこうと思います。まず周波数というのは交流の電流あるいは電磁波などの交番する周期が、 1秒間に何回あるかを示したものです。 1周期は、交番波形の山から次の山まで、もしくは谷から次の谷まで、 というように同じ向きでもう １度同じ場所まで戻ってくる間の部分を言います。

この波形の1周期分が1秒間に1回くれば、その周期は１ Hz(ヘルツ)であると言います。たとえば、 1秒間にその周期が50回あれば50Hzで、これは東日本の家庭のコンセントなどに来ている100Vの交流の周波数です。そしてぼくたちの声のような音声を低周波、電波などを高周波と言って、だいたい20 kHz(キロヘルツ)くらいを境にして感覚的に分けています。

電波法などでは30 kHz以上を高周波、 100 kHz以上を無線(ラジオ)周波数などと言っています。

鉱石式送信機

ケネリー・ヘヴィサイド層(電離層)の発見

アンテナやアースのいろいろ

 

＊この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ（筑摩書房）」より抜粋編集しております。

＊この内容から想起するアンテナやアースを使用した小林健二作品を紹介します。

KENJI KOBAYASHI

 

 

ケネリー・ヘヴィサイド層(電離層)の発見

電波(電磁波)は、本来、光の仲間ですが、周波数が高くなればなるほど、さらに光の持っている性質に近づいてゆきます。ですから短波は光のように直進する性質が強く、長波のように地表に沿って進んではくれず、地球の球面の陰になってしまうところまでは届かないと考えられていました。しかし1901年から1902年におけるマルコーニの大西洋横断無線電信の一連の実験で、イギリス・カナダ間という直進するだけでは届くはずのない位置にある場所どうしの通信が行われ、人々を不思議がらせます。この実験結果に興味を持ったイギリスのヘヴィサイドOliverHEVISIDE(1850-1925)とアメリカのケネリーArthur Edwin KENELLY (1861-1939)は、それぞれほぼ同時期に上空の大気中に電波を反射する何かが存在すると推論するようになりました。

やがて1924年、イギリスのアップルトンなどによって、この電波を反射する層は上空85 kmに存在することが確認され、ケネリー・ヘヴィサイド・レイヤー(K・H層)と呼ばれるようになります。

このK・H層は電離層(ionized layer)のことで、太陽からの紫外線やX線が、地球上空にある大気の稀薄なところに当たって、気体原子が電子を放出してイオンとなり、そのイオンの電子は自由電子として空間に飛び回り、やがでまたイオンにとらえられ、中和して消えますが、このようなことを次々と繰り返している場所と考えられます。ここに短波・中波などの電波が当たると、その内部で連続的に屈折することでまるで反射をするように地上に戻り、ふたたび地上で反射され、これを繰り返して地球の裏側までも達することが確認されると、短波通信は飛躍的に発展していきました。

この電離層は太陽から来るX線や紫外線の影響によって起こるものですから、昼間と夜間では状態が同じではありません。またその屈折や反射のぐあいは春夏秋冬によっても異なってきます。そして電離層の発生のさかんな昼間はちょうど沸騰したお湯の表面のように乱れていて、屈折や反射が安定しないので、短波の放送が聞こえにくくなることもよく起こります。ですから、夜になると遠方からの放送に耳を傾ける受信者たちも多かったのです。

そんなわけで、せっかく地球の裏側まで届くというすぐれた性質が認められてもかえって今度は近距離の聴取がしづらいというようなことも起きてきます。

また、スキップ距離skip distanceといって、地表波の減衰の大きい短波にとって、 上昇した空間波が電離層から戻ってくる間の地域では、空間波もともに弱かったり、もしくはそれらが互いに干渉し合って電波にうねりのように強弱がついて、非常に聴取しづらいフェージングという現象が起こったりします。この干渉は空間波と地表波の強度が等しいとき、最も激しく起こってしまいます。これを近距離フェージングと言います。また、通路の異なる空間波どうしの干渉によるものを遠距離フェージングと言います。これらの現象の度合や発生する地域は、季節、時間、周波などによって変化し、一定ではないので厄介なものです。このフェージング現象のような受信障害から免れる対策として、遠方の船舶などへの通信を短波によって行なうときは、場所によってお互いの送受信する周波数を申し合せてよく聞こえるように変えたりするわけです。

＊この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ（筑摩書房）」より抜粋編集しております。

＊この内容から想起する不思議な小林健二作品を紹介します。

スペーススコープを調整するのは、少々骨が折れる。試体となるべき物質の質や量によって、その内部に出現する宇宙の構造が変わってしまうからだ。しかし、その後で巡り会える薔薇色や菫色の昴を思うと、時間を忘れる。ぼくは、その上部の接眼鏡から覗き込む。暗箱の中で、形を変えながらゆっくり回転する宇宙に視準を合わせると、手元のレバーで選んだ星に注意深く細い針を接地する。電位を等しくした後、同調ノブで、「今日のお相手」を探し始める。やがてかすかに雑音に混じりながら星の歌が遠い過去の放送電波に乗って聞こえ始める。絶え間なく何かを発信しているその源に、ぼくのこころは導かれて行く。机の上のこの小さな箱には、もはや相対的な距離など存在していないのだ。

明け方まで研究に耽った後、すでに電源が切られているはずのスペーススコープをふっと見ると、結晶鏡のメーターがホタルのようにまだ光っていた。

KENJI KOBAYASHI