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2021/5/10 3:41

99回答

同軸ケーブルについての質問です。 同軸ケーブルの通信は、電気信号というより電波のやり取りをしているという認識で合っているでしょうか?

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回答(9件)

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ミスが多かったので修正し、ついでに説明を追加しました。(が、まだ校正できていないところがあるかも) 「電気信号というより電波のやり取りをしている」というより、「電磁波によって電気信号をやり取りしている」というべきです(電波は電磁波のひとつ。以下でも、電磁波、を使います)。 同軸ケーブルに限らずふつうの電気回路においても、電気信号は、電圧がかかっている導線と導線の間にできる電場と電流が流れている導線の周りにできる磁場がつくる波、電磁波、によって回路の中を伝わります。その速さは光の速さです(光は電磁波のひとつ。導線の周りに誘電体や磁性体がない場合は真空中の光の速さ(約30万km/s))。 ふつうの電気回路の問題を解くときに、電気信号が回路中を時間をかけて伝わっているということを意識したことがあるひとは少ないと思いますが、それは伝わる速さが、この世にこれ以上の速さはない、という速さだからです(*)。 ーーーーーーーーー *そこで、ふつうの電気回路理論では、回路素子も回路も(機能は保ちつつ)大きさを持たず一点に集中しているとみなして計算します(∵ 一点に集中していれば伝わるのに時間はかからない)。この意味でふつうの電気回路理論は集中定数理論と呼ばれます(定数とは、回路素子R、L、Cのこと(R、L、Cはふつう時間で変化しない(定数)と想定する))。 ーーーーーーーー 非常に速いと言っても有限ですので、回路の寸法が大きい、あるいは、扱われている電気信号の時間変化が速い、またはその両方の場合、ふつうの電気回路理論の計算では正しい結果が得られないことがあります。たとえば、過渡現象でステップ電圧をかける場面。ステップ電圧はフーリエ展開すると無限に高い周波数成分を含みます。無限に高い周波数に対応する波長は無限小ですので、回路の寸法が大きい回路に集中定数理論を適用して計算すると、たとえば、 https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q11186498136 のようなことがあります。 これに関係ある質問何件か回答しています。1件見つかったのでURLを示します。 https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q12180806022 参考になると思う。 これまで回答されている8名のなかに、上述のようなことをご存知のひとはほとんどいないのではないかと思う。大学電気系でも教えるところは少ないと思う。そもそも、電気回路を教える大学の先生のなかにすら知っている先生は(おそらく)少ないと思う(私は大学1年目の前期の電気回路基礎という科目の最初の2回の講義で上のような話を聞き、びっくりぎょうてんした)。だからこういう状況になるのもしかたないと思う。8名のなかで、このひとはご存知のようだと推測できるのは唯一、nura-rihyonさんだけ。少なくとも、「電波ではない」と回答されてる方は全員アウト。 ここから本論 同軸ケーブルでは(「でも」と書くべきか)、電気信号は電圧がかかり電流が流れる内部導体と外部導体の間の絶縁体の部分にできる電場と磁場の波,電磁波,によって伝搬します。電磁波ですので伝搬の速さはその絶縁体中の光の速さです(光も電磁波のひとつ)。 絶縁体中の光の速さは、使われる絶縁体(ポリエチレンが一般的)の誘電率が真空の値の約2倍(透磁率は真空の値とほぼ同じ)ですので、真空中の値の7割程度に落ちます。 これを、この同軸ケーブルの波長短縮率は約0.7、といいます。 波長短縮率が約0.7の同軸ケーブルの中での電磁波の『伝搬速度は真空中の約30万km/sの7割程度』と表現すること自体、もっと言えば、波長短縮率、という物理量が存在すること自体が、同軸ケーブルでは電磁波によって電気信号をやり取りしていることを示しています。 「電波ではない」と回答されてる方々へ 分布定数回路(一方向にLCが分布している回路)の勉強をされることをおすすめします。 同軸ケーブルの長さは無限長で、電圧、電流で行ないます。電圧、電流の波が一方向に光の速さ(内部導体ー外部導体間の絶縁体における速さ)で進む、という解が得られます。信号が伝わる速さは、内部導体の外径、外部導体の内径によらず、使用されている絶縁体の誘電率ε、透磁率 μだけで1/√(εμ) と表されることをご確認ください。(1/√(εμ)はがその絶縁体中を光が伝わる速さです。 平行導線(レッヘル線。昔、アンテナとテレビの間の線路として使われていた)についても、信号が伝わる速さは、ふたつの導線の直径、導線間の距離によらず、電磁波が存在するその周りの空間のε、μで決まります(「その周りの空間」は絶縁体と空気の二種類なのでややこしくなるのは明らかなので計算したことなし)。 同軸ケーブルにしても平行導線についていも、信号が伝わる速さが、線路の形状寸法に、その空間の性質だけで決まる、という、そのこと自身が、信号は『空間』を伝搬している、ということを示しています。 計算を電圧電流でするか(電気回路)、電場磁場でするか(空中を飛び回る電波)はどっちでする方が楽にできるかによるのであって、信号はあくまで『空間』を伝搬しています。これは、信号波形はどんなものでも同じです(もちろんパルスも含む)。電圧電流で計算するから電波ではない、ではない。 放送局からのラジオテレビの電波がある程度以上高いのは、高い周波数の方が送信しやすいから。

やっぱり校正が足りなかった。 下から8行目あたりの、 「同軸ケーブルにしても平行導線についていも、信号が伝わる速さが、線路の形状寸法に」 は、 「同軸ケーブルにしても平行導線にしても、信号が伝わる速さが、線路の形状寸法によらず」 と読んでください。

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電波にはなっていませんね。 シールド線でインピーダンスが明確なので 高周波での利用に適しているということでしょう。 別に低周波を送っても構いませんが もったいない。

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少し違います。 高周波ならそれで良いですが 映像信号や 音声のデジタル信号は電気信号ですよ。